1L2 Bv Enligne

Le bassin versant

Définition

Comportement hydrologique

Caractéristiques

Temps de concentration

Valérie Borrell Estupina

Cours d’Hydrologie Générale

Module FLST403 L2

Montpellier 2011

Bassin VersantBassin VersantBassin VersantBassin Versant (BV)(BV)(BV)(BV) = L’unité de référence en hydrologie.

Son rôle = collecter les eaux de pluie et concentrer les écoulements vers les cours d’eau. Il permet ainsi la mise en relation des précipitations au sol et des débits observés dans les cours d’eau.

Définitions = Bassin versant = bassin topographique = bassin fluvial = bassin hydrographique parfois impluvium (sauf si eaux minérales)…

BV = région qui possède un exutoire commun pour tous ses écoulements de surface.Un BV est toujours associé à :- un cours d’eau- une section de ce cours d’eau : l’ exutoire ou émissaire

Le bassin versant

Bassin VersantBassin VersantBassin VersantBassin Versant (BV)(BV)(BV)(BV) = L’unité de référence en hydrologie.

BV = région qui possède un exutoire commun pour tous ses écoulements de surface.Un BV est toujours associé à :- un cours d’eau- une section de ce cours d’eau : l’ exutoire ou émissaire

BV = zone géographique (unique) drainée par un cours d’eau (et ses affluents) à son exutoire

Ligne de partage des eaux(condition de flux nul)

Section exutoireBV

Cours d ’eau

Le bassin versant

Aire BVAire BVAire BVAire BV : de qqs ha à qqs millions de km2 :BV Amazone : 6 300 000 km2

BV Roujan : 91 ha soit 0,91 km2

1. Identification de l’exutoire2. Reconnaissance du réseau hydrographique

(principal au minimum) rattaché à l’exutoire3. Évent. Repérage du réseau hydrographique

des bassins alentours (surtout en zones plates)

4. Identification des points culminants sur la zone

5. Tracer du contour en bassin à 90°des lignes de niveau (ligne de crêtes) : On contourne l ’ensemble du tronçon amont, incluant tous ses tributaires. On revient au point de départ.

Le bassin versant

REM : • A partir d’une carte IGN (type BD

TOPO 25m – 50m – 100m)• A partir d’un MNT (Modèle Numérique

de Terrain source IGN ou satellites 10m – 20m – 50m – 75m …)

• A partir de relevé de topo sur le terrain (manque de précision en zones urbaines, zones endoréiques réelles ou erronées, bassins de trop petites superficie, zones plates)

DDDDéééélimitation des frontilimitation des frontilimitation des frontilimitation des frontièèèères dres dres dres d’’’’un BV topographique = un BV topographique = un BV topographique = un BV topographique = Limites du BV = les LIGNES DE PARTAGE DES EAUX identifiées à partir des courbes de niveaux *=> lignes de crêtes, sommets et thalwegs, points hauts de la région…

REM : • La ligne de partage des eaux ne doit

jamais croiser un cours d ’eau !• Les lacs de tête peuvent appartenir à

2 BV• L ’exutoire est le point bas du BV• L ’exutoire est souvent un point de

mesure• Des sous bassins peuvent être définis

DDDDéééélimitation des frontilimitation des frontilimitation des frontilimitation des frontièèèères dres dres dres d’’’’un BV topographique = un BV topographique = un BV topographique = un BV topographique = Limites du BV = les LIGNES DE PARTAGE DES EAUX identifiées à partir des courbes de niveaux=> lignes de crêtes, sommets et thalwegs, points hauts de la région…

Le bassin versant

REM : Ligne de crêtes et de talwegs : • Passent par les extrema (crêtes : max / talwegs : min) et les cols de la surface• La courbure horizontale de la ligne de niveau y présente un maximum (la concavité est inversée entre lignes de crêtes et de talwegs) Ligne de

partage des eaux

Section exutoire

BV

Cours d ’eau

Z1Z2>Z1

x1

x1

x2

x2

x3

x3

x4

x4

z1

z2

altitude

Position xi le long du plan fictif

Points hauts, sommets

Plan fictif perpendiculaire à la carte

Ligne de crête entre les 2 sous bassins versants

Bv topo

formationperméable

Bv hydrogéologique ou réel

Dans le cas où l’alimentation des cours d’eau ne se fait que par le ruissellement de surface, cette définition du bassin versant ne pose pas de pb.

Lorsque des écoulements souterrains, guidés par le pendage* des couches géologiques les moins perméables, contribuent aussi aux écoulements des cours d’eau, la frontière du bassin d’alimentation ne correspond alors plus à la frontière du bassin topographique.

Substratum imperméable

Le bassin versant

BV topo : écoulement superficiel prédominant / apport souterrain

BV hydrogéol : délimitation de la zone d’alimentation du cours d’eau à partir de la connaissance topographique et de la connaissance des formations géologiques du site (=impluvium pour les eaux minérales)

Bv topographique / hydrogéologique

*inclinaison des formations géologiques sédimentaires

Limites de la notion de LIGNES DE Limites de la notion de LIGNES DE Limites de la notion de LIGNES DE Limites de la notion de LIGNES DE PARTAGE DES EAUX identifiPARTAGE DES EAUX identifiPARTAGE DES EAUX identifiPARTAGE DES EAUX identifiéééées es es es ààààpartir des courbes de niveaux partir des courbes de niveaux partir des courbes de niveaux partir des courbes de niveaux

Bv topo

formationperméable

Bv hydrogéologique ou réel

Cette notion de bassin hydrogéologique est aussi très importante dans le cas des bassins karstiques* au sein desquels les écoulements souterrains peuvent être non négligeables voire devenir dominants par rapport aux écoulements de surface.

Substratum imperméable

Le bassin versant

Exemple de certaines régions karstiques : Bassin de la SorgueBassin versant du Lez


*KARST = ensemble de formes superficielles et souterraines résultant de la dissolution de roches carbonatées (calcaires, dolomies) par l’eau rendue acide

par le dioxyde de carbone.



Le bassin versant

Bassin du Lez – Source : Jourde,Lafare

Le relief de la nappe phréatique définit le BV phréatique dont les limites évoluent dans le temps (évolution de l ’état de la nappe)Différence généralement minime pour les gds BV « naturels », parfois importantes pour les ptsBV urbains.

Coupe de terrain

Bv topographique

Bv phréatique

Le bassin versant


BV topographique / BV phréatique

Bassin versant et influence anthropique :

Barrières artificielles : •digues, •chemins de fer, •routes…

Apports latéraux artificiels : •réseaux d ’eaux usées ou potables, •drainages, •routes, •fossés, •retenues,•pompages ou dérivations artificielles modifiant le bilan hydrologique, •sillons de labour …

=> BV = Limites topographiques, limites souterraines, effets ant=> BV = Limites topographiques, limites souterraines, effets ant=> BV = Limites topographiques, limites souterraines, effets ant=> BV = Limites topographiques, limites souterraines, effets anthropiqueshropiqueshropiqueshropiques

Le bassin versant

Bassin ayant plusieurs exutoires :•S ’ils sont pourvus d ’un lac possédant plusieurs sorties (lac du Wollaston au Canada)•Zone exutoire en terrain plat

Le nombre d ’exutoire peut varier dans le temps (moins nombreux en période d ’étiage)

Bassin endoréique : BV sans exutoire superficiel, caractéristique zone aride(Bassin intérieur, bassin fermé)

Exemples : •la mer morte au Moyen-Orient (salinité élevée), •la mer d ’Aral (entre Kazakhstan et Ouzbékistan), •le Grand Lac Salé (près de Salt Lake City) •Une doline (petite dépression fermée que l’on trouve en région karstique)

100

75 50

Vue en plan

75

Vue en coupe

Le bassin versant

Bassin versant et Exutoire Bassin versant et Exutoire Bassin versant et Exutoire Bassin versant et Exutoire

Le bassin versant

Définition


Caractéristiques




Module FLST403 L2

Montpellier 2010

0

5

10

15

20

25

30

35

1 5 9 13

17

21

25

29

33

37

41

45

Temps (heures)

Plu

ie (

mm

)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

Dé

bit

(m

3/s

)

•HYETOGRAMME : P(t)HYETOGRAMME : P(t)HYETOGRAMME : P(t)HYETOGRAMME : P(t)

HYDROGRAMME

Le bassin versant

La réaction du BV face à une sollicitation (précipitation) se mesure par l ’observation de la quantité d ’eau qui s ’écoule à l ’exutoire du système

Représentations graphiques : • HYDROGRAMME DE CRUE : Q(t)HYDROGRAMME DE CRUE : Q(t)HYDROGRAMME DE CRUE : Q(t)HYDROGRAMME DE CRUE : Q(t)• LIMNIGRAMME : H(t)LIMNIGRAMME : H(t)LIMNIGRAMME : H(t)LIMNIGRAMME : H(t)

Temps de rTemps de rTemps de rTemps de rééééponse du BVponse du BVponse du BVponse du BV = Temps écoulé entre le centre de gravité de l’averse et le débit de

pointe

Le rêve de l’hydrologue : déterminer Q connaissant P... ce sera l’objet de ce cours

Le bassin versant

Définition


Caractéristiques




Module FLST403 L2

Montpellier 2010

Superficie du BV = Aire (km²) circonscrite par la ligne de partage des eaux

+ SBV gd , + la pluie captée gde

Exemples de loi :

Q(crue moy) = 1.61 *A0.70

Remenieras

Qi10=0.70*Sh0.85

Alpes internes Nordcemagref

Qi10=2.84*Sh0.69

Piémont Azuréencemagref

Ou bien : Q(T) = constante (OdS, Pluie(T)) * A

= Aire (km²) circonscrite par la ligne de partage des eaux

+ SBV gd => + la pluie captée gde => potentiellement + le Q crue pourra être gd…

Superficie du BVSuperficie du BVSuperficie du BVSuperficie du BV

FormuleFormuleFormuleFormuleIntitulIntitulIntitulIntituléééé

Extrait du stage de Cipriani

Thomas M2 GERE 2009-

2010

A = surface du bassin versant (km2)P = périmètre du bassin versant (km)

KG=Périmètre du BV/ Périmètre du cercle de même surface

Indice de compacitIndice de compacitIndice de compacitIndice de compacitéééé ====Coefficient de Coefficient de Coefficient de Coefficient de

GraveliusGraveliusGraveliusGravelius1914 (forme BV)1914 (forme BV)1914 (forme BV)1914 (forme BV)

M : allongementL : le plus long cheminement hydrauliqueA : superficie du bassin

Ce coefficient est utilisé pour corriger un débit évalué par des formules empiriques dans le cas où le bassin est très allongé ou au contraire très ramassé. L’idée est que le débit varie à l’inverse de l’allongement.

Allongement du bassin Allongement du bassin Allongement du bassin Allongement du bassin


A

LM =

BV à forme + compacteTemps de parcours max + faibleEt donc débit de pointe plus fort

KG#1 KG>1

A

PKG 28.0=

= répartition des surfaces du bassin en fonction de l’altitude. Elle décrit le % de l ’Aire BV au dessus / au dessous d ’une altitude donnée

Le relief influence les écoulements (précipitations, T° et végétation varient avec l’altitude, vitesse des écoulements varient avec la pente …)

Courbe hypsomCourbe hypsomCourbe hypsomCourbe hypsoméééétriquetriquetriquetrique


Altitude moyenne =

Aire du BVAire du BVAire du BVAire du BV

AltitudeAltitudeAltitudeAltitude

Ai Abv (km²)Ai/Abv 100 (%)

zi

Ai : aire du BV dont l’altitude est au moins zi

50%

Altitude médian

ebv

i

ii

A

.zA∑ ****(zi+zi+1)/2

Altitude max

Altitude min (exut)

Longueur du rectangle équivalent (rectangle de Gravelius; Roche 1963) :

L=?

Entre le BV et le Rect équivalent on a : A= ; P= ; KG= ; => répartition hypsométrique =…

Rectangle Rectangle Rectangle Rectangle ééééquivalentquivalentquivalentquivalent

)(2 l

l

+=

=

LP

LA

4

162

APPL

−+=

I : la pente moyenneL : le plus long cheminement hydraulique constitué de tronçons successifs de longueurs LK et de pente constante IK

Pente Moyenne du BV Pente Moyenne du BV Pente Moyenne du BV Pente Moyenne du BV urbanisurbanisurbanisurbaniséééé (m/m)(m/m)(m/m)(m/m)

Coefficient de ruissellement = Pour une crue, Volume des eaux qui ruissellent en surface / Volume des eaux précipitées. Permet de déterminer le Qp. Caractérise les processus de transfert. Se détermine à partir d’une table de valeur, ou bien que se calcule àpartir de l’occupation du sol.

Coefficient d’écoulement rapide de crue = volume de l’écoulement rapide de crue / volume d’eau précipitée. C’est la part des eaux qui provoquent un gonflement de l’hydrogramme de crue. Caractérise les volumes transférés (influence des eaux sub-surfaciques et souterraines possibles – piston par exemple). Se détermine à partir des hydrogrammes de crues et des hyétogrammes observés.

Coefficient d’écoulement = Rapport entre volume d’eau écoulée et volume d’eau précipitée sur une durée T et pour un BV donné. L’eau peut venir de ressources souterraines, d’antécédents pluvieux … = Coefficient d’apport en hydrologie urbaine

Coefficient de Coefficient de Coefficient de Coefficient de ruissellementruissellementruissellementruissellement

∆Z= Altitude max – Altitude min (de la rivière)

L: longueur du rectangle équivalent

Indice de pente globalIndice de pente globalIndice de pente globalIndice de pente global


2

=

K

K

I

L

LI

Le bassin versant - Caractéristiques

L

ZI g

∆=

Très utilisé ! Mais attention

!!

Coefficient de ruissellement …

Pour un bassin urbain : Cr = taux d’imperméabilisation du BV = Cr = A’ / ACr = Superficie de la surface revêtue / Superficie totale du BassinCr urbain > 0.2 car la superficie de la voirie et des aires de services ~ 20% *A

Pour un bassin rural :


Type de sol Couverture du bassin

versant

Cultures Pâturages Bois, Forêts

A fort taux d'infiltration

Sols sableux ou graveleux 0.20 0.15 0.10

A taux d'infiltration moyen

Limons et sols similaires 0.40 0.35 0.30

A faible taux d'infiltration

Sols lourds, argileux

Sols peu profonds sur le

substratum

0.50 0.45 0.40

Milieu imperméable

Extrait du SCS

Autres données tabulées : Cr = f( pente, texture du sol, végétation)Mais le volume infiltré dépend aussi du contenu en eau initial du BV ...

lx+1 = longueur moyenne des cours d’eaud’ordre x+1Lx = longueur moyenne des cours d’eaud’ordre x

Rapport de longueurRapport de longueurRapport de longueurRapport de longueur

Nx= nombre de cours d’eau d’ordre xNx+1 = nombre de cours d’eau d’ordre x+1

Rapport de confluence Rapport de confluence Rapport de confluence Rapport de confluence (d(d(d(dééééveloppement du veloppement du veloppement du veloppement du rrrrééééseau de drainage)seau de drainage)seau de drainage)seau de drainage)


1+

=

x

x

cN

NR

x

x

lRl

l 1+=

À chaque cours d’eau → ordre j- Un cours d’eau sans affluent est d’ordre j=1- À une confluence entre 2 cours d’eau d’ordre i etjle cours résultant est

d’ordre le max(i,j) si i≠jd’ordre j+1 , si i=j

Ordre dOrdre dOrdre dOrdre d’’’’un cours dun cours dun cours dun cours d’’’’eaueaueaueau : classification qui reflète la ramification d ’un réseau de drainageClassification topologique de Strahler (1957)

1111

11111111

1111

1111

1111

1111

2222

2222

2222

2222

22223333

L = la longueur totale de tous les cours d ’eau, Dd = exprimée en km/km²Abv = surface du bassin (en km²)

Dd ≈ 3 à 4 : réseau à développement très limitéà Dd ≈ 1000 réseau très ramifié

Un réseau dense aura une Dd gde et des ordres élevés, il est susceptible de favoriser un drainage rapide du BV

DensitDensitDensitDensitéééé de drainage de drainage de drainage de drainage (Horton)(Horton)(Horton)(Horton)


bv

i

i

A

L∑=Dd

Sol perméable, couvert végétal, Peu de relief

Peu de végétation, relief marqué


Idem avec les surfaces imperméables– Augmentation du taux d’imperméabilisation => diminution

de l’infiltration => augmentation de la lame d’eau ruisselante => diminution des temps des réactions …

Taux dTaux dTaux dTaux d’’’’impermimpermimpermimpermééééabilisationabilisationabilisationabilisation

Indice de surface dIndice de surface dIndice de surface dIndice de surface d’’’’eau libre = Surface eau libre / Aire du BV *100eau libre = Surface eau libre / Aire du BV *100eau libre = Surface eau libre / Aire du BV *100eau libre = Surface eau libre / Aire du BV *100= Caractérisation du comportement hydrologique d ’un BVà partir de son occupation des sols (ici les surfaces d’eau

libre)– Amortissement ou laminage des crues : Qp diminue par

stockage temporaire

Indice de surfaceIndice de surfaceIndice de surfaceIndice de surfacedddd’’’’eau libreeau libreeau libreeau libre= lac, cours d= lac, cours d= lac, cours d= lac, cours d’’’’eau, canaleau, canaleau, canaleau, canal…………

Indice de couverture forestiIndice de couverture forestiIndice de couverture forestiIndice de couverture forestièèèère = Surface forêt / Aire du BV *100re = Surface forêt / Aire du BV *100re = Surface forêt / Aire du BV *100re = Surface forêt / Aire du BV *100= Caractérisation du comportement hydrologique d ’un BVà partir de son couvert végétal (ici la forêt)

– Interception d’une partie du volume des pluies – Amortissement des crues de faibles et moyennes

amplitudes– Limitation de l’érosion

Indice de couvertureIndice de couvertureIndice de couvertureIndice de couvertureforestiforestiforestiforestièèèèrererere


Lac LLac LLac LLac Léééémanmanmanman

RhôneRhôneRhôneRhône

Porte du Scex

Genève

Extrait de Musy


SchSchSchSchééééma simplifima simplifima simplifima simplifiéééé de lde lde lde l’’’’influence du sol et du sousinfluence du sol et du sousinfluence du sol et du sousinfluence du sol et du sous----sol sur les sol sur les sol sur les sol sur les éééécoulements :coulements :coulements :coulements :

Sans tenir compte des - caractéristiques des pluies -conditions initiales d’humidité sur un BV-…

SolSolSolSol

- Ecoulement superficielEcoulement superficielEcoulement superficielEcoulement superficiel⇒ crues rapidescrues rapidescrues rapidescrues rapides

(risque inondation)

- Pas de rPas de rPas de rPas de rééééserve souterraineserve souterraineserve souterraineserve souterraine⇒ en saison sen saison sen saison sen saison sèèèèche : dche : dche : dche : déééébit bit bit bit faible faible faible faible (risque sécheresse)

perméable

Augmentation de Augmentation de Augmentation de Augmentation de l'humiditl'humiditl'humiditl'humiditéééé du sol du sol du sol du sol jusqu'jusqu'jusqu'jusqu'àààà saturationsaturationsaturationsaturation

⇒ comportement similaire au sol similaire au sol similaire au sol similaire au sol impermimpermimpermimpermééééableableableable

Nappe ou aquifaquifaquifaquifèèèèrererere en liaison avec le réseau hydrographique :⇒⇒⇒⇒CrueCrueCrueCrue lentelentelentelente

& Risque de s& Risque de s& Risque de s& Risque de sèèèècheresse + cheresse + cheresse + cheresse + faiblefaiblefaiblefaible

SousSousSousSous----solsolsolsol

perméable imperméable

imperméable

Géologie du sous-solSource Neppel 2006

Le bassin versant

Définition


Caractéristiques




Module FLST403 L2

Montpellier 2010

Temps de concentrationTemps de concentrationTemps de concentrationTemps de concentration & & & & HydrogrammeHydrogrammeHydrogrammeHydrogramme de crue :de crue :de crue :de crue :

Une pluie homogène (invariante par translation) et uniforme (invariante dans le temps) incidente sur le BV va engendrer une croissance des débits àl’exutoire jusqu’à une valeur maximale pour laquelle tout le bassin contribuera au débit àl’exutoire. Une fois le débit maximum atteint, l’hydrogramme reste sur cette valeur plateau tant que la pluie constante incidente dure.

exutoireexutoireexutoireexutoire

Le bassin versant - Isochrones

exutoireexutoireexutoireexutoire

temps

débit Temps d’équilibre = TcQp

Qn<Qp

Tn<Tc

temps

pluie

Pluie constante et infinie

1L2 Bv Enligne

Documents

Transcript of 1L2 Bv Enligne