ISSN 1278-5105Revue répertoriée dans la base PASCAL de l'INIST

ÉTUDES

DE

GÉOGRAPHIE PHYSIQUE

N° XXXII - 2005

TRAVAUX DU BVRE DU MONT-LOZÈRE

UMR 6012 "ESPACE" du CNRS et de l'Université de Nice - Sophia-Antipolis

UMR 6012 "ESPACE" du CNRS et de l'Université de Nice - Sophia-Antipolis

Études de Géographie Physique

N° XXXII - 2005

SOMMAIRE

Pages C. MARTIN et J.F. DIDON-LESCOT - Recherches récentes sur la chimie des eaux dans le

haut bassin versant cristallin du Tarn …………………………………………………… B. GRAFF, M. MEUNIER, J. LAVABRE et D. RICHARD - Analyse directe des crues en vue

d'une meilleure compréhension de la réponse hydrologique des petits bassins versants torrentiels ………………………………………………………………………………...

Y. EL KHALKI et A. BENYOUCEF - Crues et inondations de l'oued El Handak : genèse,

impact et propositions d'aménagement …………………………………………………. L. LOURENÇO - Les terres anciennement cultivées du Centre du Portugal : aménagements

traditionnels et impacts des incendies de forêt ………………………………………….. P.A. AYRAL, S. SAUVAGNARGUES-LESAGE et F. BRESSAND - Contribution à la

spatialisation du modèle de prévision des crues éclair ALTHAÏR ………………………

3

26

47

63

75

ÉTUDES

DE

GÉOGRAPHIE PHYSIQUE

N° XXXII - 2005

TRAVAUX DU BVRE DU MONT-LOZÈRE

Responsable de la publication : Claude MARTIN

UMR 6012 "ESPACE" - Équipe G.V.E. Département de Géographie

98, Boulevard Édouard Herriot B.P. 3209

06204 NICE cedex 03

Tél. : 04 94 47 53 24 Mél : martincl@infonie.fr

ISSN 1278-5105 Dépôt égal : 4l

ème trimestre 2005

Revue répertoriée dans la base PASCAL de l'INIST

Reproduction réalisée par Fac Copies (NICE)

2

Photo de couverture : l'Alignon en crue aux Urfruits, dans le bassin versant du haut Tarn (cliché J.F. DIDON-LESCOT).

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tudes de Géographie Physique, n° XXXII, 2005

RECHERCHES RÉCENTES SUR LA CHIMIE DES EAUX DANS LE HAUT BASSIN VERSANT CRISTALLIN DU TARN

Claude MARTIN et Jean-François DIDON-LESCOT (1)

1) : UMR 6012 "ESPACE" du CNRS, Département de Géographie, Université de Nice-Sophia-Antipolis, 98 Boulevard Édouard Herriot, BP 3209, 06204 NICE cedex 03. Mél : martincl@infonie.fr .

ÉSUMÉ : Les connaissances sur les fonctionnements hydrochimiques acquises de 1981 à 1997 sur le assin Versant de Recherche et Expérimental (BVRE) du Mont-Lozère, ont été complétées de 1999 à 002. Les mesures ont porté non seulement sur deux des petits bassins versants granitiques initialement uivis (Latte : 0,195 km2 ; Cloutasses : 0,81 km2), mais aussi sur des bassins de plus grande taille équipés lus récemment (jusqu'à 14,5 km2 – aux substrats constitués de granite et/ou de micaschistes). Plusieurs ampagnes de prélèvements d'eau ont en outre été menées sur de nombreux points du BVRE, voire même u haut bassin versant du Tarn. 'étude des eaux de pluie met en évidence la stabilité dans le temps des entrées de sulfate (peut-être en

égère diminution) et l'augmentation de celles de nitrate. L'importance des apports de poussières ahariennes, qui ont fait l'objet d'observations spécifiques, est discutée. es bilans hydrochimiques annuels n'apportent pas d'informations véritablement nouvelles. Ceux du bassin ersant de la Latte (0,195 km2), qui a subi une coupe à blanc des épicéas de 1987 à 1989, confirment le etour des fonctionnements hydrochimiques à la situation antérieure à la coupe, laquelle avait été suivie par ne augmentation considérable des exportations de nitrate et, par voie de conséquence, de cations basiques. eux du bassin de l'Alignon en amont des Urfruits (5,1 km2) témoignent de fonctionnements semblables à eux des bassins plus petits. ne attention particulière est portée au risque éventuel d'acidification des eaux. La comparaison des pH bservés sur la période 1999-2002, avec les valeurs mesurées en 1982 et 1986 ne confirme pas l'hypothèse 'une acidification en cours.

OTS-CLÉS : bassins versants cristallins, composition chimique des eaux, bilans hydrochimiques, volution du pH, Mont-Lozère.

BSTRACT : The hydrochemical behaviours of small catchments monitored from 1981 to 1997 at the ont-Lozère Experimental Research Basin (ERB), was surveyed again from 1999 to 2002. The easurements were carried out on two of the small initially monitored catchments (Latte : 0,195 km2 ; loutasses : 0,81 km2), and also on bigger instrumented more recently (up to 14,5 km2 –substrates of ranite and/or micaschists). Several sampling campaigns at many points of the research basin, and of the pper basin of the Tarn river, were carried out. he study of rainwater shows the stability over time of the sulphate inputs (perhaps a light decrease) and

he increase of those of nitrate. The importance of Saharan dust contribution is discussed. he annual hydrochemical budgets confirm the previous observations on the global functioning of these atchments. In the Latte catchment, which was affected by a clearfelling of the spruces from 1987 to 1989, nd consequently experienced a considerable increase of soluble outputs of nitrate and basic cations, the 999-2002 budget confirm the return to the former situation. The hydrochemical behaviour of the Alignon atchment (upstream of Urfruits) is similar to those of the smaller basins. special attention is paid to the risk of acidification of surface water. The comparison of the pH observed ver the period 1999-2002, with the values measured in 1982 and 1986 does not confirm that acidification s in progress.

EY-WORDS : crystalline catchments, water chemical composition, hydrochemical budgets, pH volution, Mont-Lozère.

- INTRODUCTION

De 1999 à 2002, de nouvelles observations nt été réalisées sur la chimie eaux du haut bassin

versant du Tarn dans le cadre d'une étude intégrée commandée par le Parc national des Cévennes. Nous en présentons ici les premières interprétations. Ces investigations complètent les connaissances précédemment acquises depuis la

4

création du Bassin Versant de Recherche et Expérimental (BVRE) du Mont-Lozère en 1981. Outre l'objectif de préciser l'évolution de la composition chimique des eaux au cours de la période récente, les investigations avaient pour finalité d'apporter des informations susceptibles d'éclairer les interprétations réalisées par les autres équipes impliquées dans le programme, sur les algues (Cemagref-Bordeaux : M. COSTE et al., 2004), les macroinvertébrés aquatiques (Cemagref-Aix-en-Provence : B. DUMONT et G. ARCHAMBAUD, 2003) et les poissons (Conseil Supérieur de la Pêche - 48 : D. BEAU-DOU et M. FOISSY, 2003). Les recherches s'appuient en grande partie sur le dispositif d'observation hydrologique du BVRE, lequel couvre une superficie de 25,2 km2 sur les bassins versants de l'Alignon et de la Goudesche. Les substrats sont constitués de granite et de micaschistes. Bien que le terrain d'étude se trouve dans un secteur où l'encais-sement des vallées reste relativement modéré, le relief présente un caractère assez accusé, avec des altitudes comprises entre 1005 et 1493 m. Les couverts végétaux sont formés d'une mosaïque associant hêtraie, pessière, pelouse et lande. L'espace considéré est quasiment exempt d'habitations, à l'exception de quelques hameaux, le tout n'excédant pas 15 habitants permanents. II - MESURES : MATÉRIEL ET

MÉTHODES 1 ) Collecte des eaux de pluie Les précipitations ont été recueillies en deux points du bassin versant de l'Alignon, à la station climatologique de La Vialasse (altitude : 1290 m) et dans une clairière du Valat de Jouc (altitude : 1090 m), les deux sites étant distants d'environ 2,6 km (Fig. 1). Le même système de collecte a été adopté pour les deux sites. Il comportait un entonnoir en polyéthylène, d'un diamètre de 305 cm2, à ouverture horizontale, relié à un bidon récepteur de 10 litres protégé de la lumière. Une grille en plastique retenait les débris les plus grossiers. La chronique considérée pour les précipitations va du 20 juin 1999 au 2 septembre 2002 pour La Vialasse (avec un découpage en 59 périodes) et du 9 février 2000 au 2 septembre 2002 pour Jouc (33 périodes). Les prélèvements

ont été réalisés après chaque épisode de précipitation pour La Vialasse, alors que pour Jouc certains prélèvements ont été mélangés de telle sorte que chaque échantillon reconstitué représente environ un mois de collecte. On a porté un soin particulier à réduire au maximum le temps de séjour de l'eau dans les collecteurs, en particulier en été. Les lacunes d'échantillonnage ont été très faibles à La Vialasse : 230 mm (38,4 mm entre le 15 juin et le 17 juillet 2000 – eaux polluées par la décomposition d'insectes – ; 90,0 mm du 6 au 15 mars 2001 – échantillon perdu après la détermination de la conductivité et du pH – ; 102,1 mm du 1er au 20 juin 2001 – dévelop-pement d'algues avant l'envoi au laboratoire d'analyses –). Sur la même période, les précipi-tations se sont élevées à 6294 mm. Les lacunes sont plus fortes à Jouc : 633,5 mm sur un total pluviométrique de 5637 mm, mais elles sont toutes concentrées en 2000, année où trois échantillons ont été éliminés (périodes du 16 au 24 mars : 64,3 mm ; du 6 au 18 avril : 222,9 mm ; du 26 octobre au 16 novembre : 346,3 mm). Des prélèvements spécifiques pour la mesure des retombées de poussières "saha-riennes" ont été réalisés à la station de La Vialasse du 11 mars 1998 au 4 août 2001. Le collecteur était constitué d'un entonnoir (surface réceptrice de 113 cm2) placé sur un bidon de 10 litres à 45 cm au-dessus du sol. Le bidon était changé après chaque épisode pluvieux. Pour déterminer la masse de la fraction particulaire de chaque prélèvement, il a été procédé à la filtration – sur une membrane Nuclepore ® 0,4 µm préalablement pesée – de toute l'eau recueillie et de l'eau minéralisée de rinçage, au séchage à l'étuve puis à la pesée de la membrane et du refus de filtration. Les pesées et les observations à la loupe binoculaire ont été effectuées à l'Unité de Biogéochimie Marine de l'École Normale Supérieure de Paris. 2 ) Prélèvement des eaux des ruisseaux Les principaux points de prélèvement correspondent aux stations hydrométriques implantées sur le BVRE du Mont-Lozère (Fig. 1 ; Tab. I). Les bassins des Cloutasses et de la Latte appartiennent au dispositif mis en place en 1981, alors que les autres bassins ont été équipés à la fin des années 1990.

5

Fig

T

ableau I - Caractères de

Superficie (km2) Lithologie (%) Granite Micaschistes Arkoses Couvert forestier (%)

Type de végétation dominant Début des prélèvements (1) : F. DUBLANCHET, 1

Les eaux ont été dans des flacons en polprélèvements a été de chaque site au cours 2000-01. En 2001-02, ment ont été prélevés d'eau. Mais le rythme dplus élevé pour le ruisl'Alignon à la station des

Faysse Quaraze

La Vialasse

Urfruits e

Baraquett

ure 1 - Le dispositif de mesure du BVRE(Alignon - Goudesche) en 20

s bassins versants et dates de début des

Goudesche (Cépède)

Alignon (Baraquette)

Jouc

10,7 14,5 1,7

10 85 5

75 25 0

0

100 0

> 90 (1) 52 (1) 98

Épiceas, hêtres

Couvert composite

Épiceas, hêtres

Juillet 1999 Juin 1999 Sept. 1999

999. (2) : P. DURAND, 1989. * : avant la co

prélevées manuellement yéthylène. Le rythme des un à deux par mois sur des années 1999-00 et cinq échantillons seule-sur la plupart des cours es prélèvements est resté seau de la Latte et pour Urfruits.

En jucomparaisoquelques écdes points perspectiveprélevés enl'Alignon emesures duconcentratiotype a été r

Rouvières

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afin de es donnént été préabituels. 2001,

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Epicéas

99 Juin 2000

permettre des es antérieures, levés en dehors Dans la même

25 échantillons des bassins de

nt fait l'objet de tivité et de la pagne du même

mais elle a porté

6

sur l'ensemble du bassin versant du haut Tarn (près de 200 km2). Trente trois échantillons ont été récoltés (dont cinq aux points de prélèvement habituels). Vingt d'entre eux ont subi une analyse complète. 3 ) Les mesures La conductivité, le pH et la concentration du bicarbonate ont été déterminés, par l'UMR ESPACE, sur des eaux non filtrées. Les autres analyses ont été menées après filtration sur membrane 0,45 µm. Les dosages du bicarbonate par l'UMR ESPACE ont débuté sur des échantillons prélevés en octobre 2001, les premiers essais effectués par un autre laboratoire n'ayant pas donné satisfaction. Le bicarbonate a été dosé par volumétrie (à l'acide sulfurique avec recherche du point équivalent sur la courbe de titration établie grâce à un suivi au pH-mètre). Quelques vérifications sur des échantillons confiés à d'autres laboratoires ont été effectuées, par volumétrie (calcium, magnésium, chlorure) ou par colorimétrie (silice, ammonium, nitrate). De juin 1999 à décembre 2000, les analyses ont été effectuées par le Centre de Géomorphologie de Caen. Le calcium et le magnésium ont été dosés par absorption atomique, le sodium et le potassium par photométrie de flamme, et les autres éléments par colorimétrie. Pour les analyses colorimétriques, ce laboratoire utilisait un auto-analyseur Technicon. À notre demande, les dosages turbidimétriques du sulfate ont été effectués après ajout systématique d'étalon interne (sous forme d'acide sulfurique). De janvier à août 2001, les échantillons ont été confiés à l'Unité de Biogéochimie Marine de l'ENS de Paris. Les cations basiques ont été dosés par absorption atomique ; l'ammonium, le chlorure, le nitrate et le sulfate par chromato-graphie ionique ; la silice par colorimétrie. À partir de septembre 2001, il a été fait appel au Service Central d'Analyse du CNRS. Les métaux ont alors été dosés par ICP-AES (ARL 3580) ; l'ammonium a été déterminé par chromatographie ionique (Waters), de même que les anions (Dionex). Au total, 363 échantillons ont été traités par le Centre de Géomorphologie de Caen, l'Unité de Biogéochimie Marine de l'ENS de Paris ou le Service Central d'Analyse du CNRS.

4 ) Problèmes pour la détermination du pH La mesure du pH à l'aide d'un pH-mètre n'est jamais présentée comme une opération extrê-mement délicate. Pourtant les difficultés peuvent être importantes. Il convient de s'y arrêter dans une étude qui s'intéresse notamment aux risques éventuels d'acidification du milieu. Pour les mesures in situ, l'étalonnage d'un pH-mètre sur le terrain n'est pas toujours commode, en particulier lorsque les conditions climatiques sont difficiles. Par ailleurs, les électrodes gélifiées présentent parfois des temps de réponse assez longs dans les eaux naturelles. Nous avons donc opté pour des mesures au laboratoire. Au laboratoire, les mesures sont théori-quement très simples, mais les résultats peuvent considérablement varier selon le matériel et le protocole utilisés. Le pH des eaux du BVRE du Mont-Lozère est déterminé depuis 1986. Les mesures ont été effectuées à l'aide d'un pH-mètre Tacussel analogique U9N et d'une électrode combinée Bioblock. L'échantillon était versé dans un petit bécher en verre de 50 ml et subissait une agitation continue par un agitateur magnétique pendant toute la durée de la mesure. Cette façon de procéder qui a été employée jusqu'en 1999 a pour effet une légère sous-estimation systé-matique du pH. On notera du reste que pour une étude élargie à l'ensemble du Mont-Lozère (B. GUILLET et al., 1997), le Laboratoire de Géologie de la Matière Organique d'Orléans, qui était alors en charge de la gestion du BVRE, a déterminé les pH sans agiter les prises d'échan-tillon au moment de la mesure. Sauf nécessité de procéder à des compa-raisons avec des résultats obtenus de façon différente, les mesures récentes du pH ont été effectuées sans agitation continue de la prise

'échantillon. Les mesures ont été réalisées : d - d'une part, variante 1 du protocole, à l'aide d'un

pH-mètre analogique Radiometer PhMeter29 et d'une électrode combinée Radiometer GK2401C : la prise d'échantillon est placée soit dans bécher en verre de 100 ml qu'elle remplit à un peu moins de la moitié (dans le cadre du dosage du bicarbonate), soit dans un petit récipient cylindrique en plastique d'une conte-nance inférieure à 50 ml qu'elle remplit aux deux tiers. L'agitation se fait manuellement,

7

en imprimant un mouvement de rotation au récipient. Lors des premières déterminations, l'agitation était assez violente et l'opération était renouvelée jusqu'à stabilisation de la valeur du pH. Cette manière d'opérer favorisant le dégazage de la prise d'échantillon, et donc la mise en équilibre du pH avec les conditions du laboratoire, nous avons adopté un protocole moins agressif : une série de quinze légères rotations, suivie d'une nouvelle série de cinq rotations (à chaque fois, la stabilisation est presque immédiate). Les valeurs des mesures en petit godet avec faible agitation sont légèrement plus basses que celles en bécher avec faible agitation (écart inférieur à 0,1 unité pH). L'écart s'accroît légèrement lorsque l'agitation du bécher est plus poussée.

- d'autre part, variante 2 du protocole, à l'aide d'un pH-mètre Schott à affichage numérique et d'une électrode combinée Bioblock : la prise d'échantillon est placée dans un petit récipient en plastique tronconique vers le bas et subit une agitation d'une seconde avec un agitateur magnétique avant la mesure qui se fait après une assez longue période de stabilisation (4 minutes) ;

La comparaison entre les résultats obtenus selon les deux variantes du protocole fait apparaître des différences assez fortes. Certes, une première série comparative traitée en mars 2001 avait donné des valeurs équivalentes, mais les pH mesurés suivant la variante 2 se sont ensuite révélés sensiblement plus faibles que ceux mesurés suivant la variante 1, parfois de plus de 0,3 unité pH. La divergence entre les résultats est attribuée à la lenteur de la réponse pour les mesures effectuées avec la variante 2. Après bien des essais, il semblerait que l'électrode soit en cause, en raison sans doute de son inadaptation à des eaux très peu ionisées. La mise en œuvre d'une électrode de terrain Bioblock pHast pour la mise en œuvre de ce protocole, a du reste conduit à en améliorer les résultats. En conclusion, l'abandon de l'agitation en continu a conduit à obtenir des valeurs de pH plus élevées, qui donnent une image plus satisfai-sante de la réalité. Selon les nuances apportées au protocole général, les valeurs obtenues diffèrent encore légèrement. Mais, pour un même échan-tillon, les écarts les plus sensibles semblent provenir des matériels utilisés. La variante 1 du protocole a été retenue comme référence. Les relations entre les résultats ont permis d'homo-généiser les données de pH sur la base des

mesures en petit godet avec faible agitation. III - COMPOSITION CHIMIQUE DES

PLUIES 1 ) Caractérisation des eaux

Les données acquises sont synthétisées dans les tableaux II et III. Les concentrations moyennes ont été calculées en pondérant les concentrations mesurées par les volumes d'eau recueillis. Les eaux sont le plus souvent légèrement acides et faiblement minéralisées. Pour aucun des éléments analysés, les résultats obtenus ne mettent en évidence de problème particulier.

Sur la période allant du 9 février 2000 au 2 septembre 2002, les compositions chimiques moyennes diffèrent assez peu à La Vialasse et à Jouc. La différence la plus sensible concerne le nitrate (1,7 mg/l à La Vialasse contre 1,1 mg/l à Jouc). À cet égard, on peut se demander si l'environnement de la station de La Vialasse ne joue pas un rôle : proximité d'un hameau et présence fréquente de troupeaux. L'exposition des sites est sans doute également à prendre en compte.

Les concentrations moyennes annuelles étant exprimées en méq/l, on note que le calcium est le cation le plus abondant, alors que le sulfate est dominant parmi les anions (Fig. 2). Les concentrations maximales du calcium ont été obtenues lors d'épisodes marqués par des apports de poussières sahariennes (pour les eaux recueillies à La Vialasse : 2,5 mg/l du 6 avril au 2 mai 2000 ; 2,75 mg/l du 2 au 30 mai 2000 ; 7,4 mg/l du 15 au 21 mars 2001 ; 3,2 mg/l du 20 juin au 11 juillet 2001 ; 2,5 mg/l du 15 mars au 19 avril 2002 ; 2,95 mg/l du 13 juin au 13 juillet 2002). L'étude des régressions entre les différents paramètres mesurés dans les eaux a été menée pour 56 échantillons d'eau de pluie prélevés à La Vialasse du 21 juin 1999 au 2 septembre 2002. En considérant les concentrations en méq/l, lle fournit les indications suivantes : e

- La conductivité électrique est fortement liée à la sommes des cations Ca2+, Mg2+, K+, Na+ et NH4+ (coefficient de corrélation linéaire, r = +0,85) et à la somme des anions Cl-, NO3

- et

8

Tableau II - Composition chimique (concentrations en mg/l) des eaux de pluie recueillies par le ollecteur de La Vialasse du 9 février 2000 au 2 septembre 2002. c

P Cond. pH SiO2 Ca2+ Mg2+ K+ Na+ NH4

+ HCO3- Cl- NO3

- SO42- PO4

3-

Min. 6,2 4,47 0,00 0,10 0,02 tr 0,04 0,00 0,0 0,15 0,00 0,92 tr Max. 42,3 7,37 0,37 7,4 0,44 2,2 2,3 2,5 17,1 3,7 11,2 6,6 1,1 Moy. 15,7 5,13 0,03 0,97 0,13 0,21 0,55 0,38 1,2 0,96 1,7 2,5 –

5096 mm N = 52

n 51 51 27 49 49 49 49 49 31 49 49 49 10 P. : précipitations (mm). Cond. : conductivité à 25 °C (µS/cm/cm2). pH : pH à 25 °C (les données correspondent à des mesures effectuées suivant la variante 1 du protocole adopté, en petit récipient avec faible agitation). N : nombre d'épisodes déterminés par les passages sur le terrain. Min. : valeurs minimales. Max. valeurs maximales. Moy. : valeurs moyennes pondérées par les précipitations (pour le pH, il s'agit du pH moyen calculé à partir de la concentration moyenne pondérée des ions H+ ; pour la conductivité, la valeur moyenne est déterminée en passant par les logarithmes des valeurs mesurées). n : nombre d'échantillons analysés. – : données manquantes. On notera que les concentrations maximales du potassium, du nitrate et du phosphate ont été mesurées dans trois échantillons différents, ce qui ne va pas dans le sens d'une pollution par des déjections d'oiseau. Tableau III - Composition chimique (concentrations en mg/l) des eaux de pluie recueillies par le collecteur de Jouc du 9 février 2000 au 2 septembre 2002.

P Cond. pH SiO2 Ca2+ Mg2+ K+ Na+ NH4+ HCO3

- Cl- NO3- SO4

2- PO43-

Min. 9,1 4,71 0,00 0,22 0,02 0,005 0,08 0,02 0,0 0,30 0,25 1,0 0,02Max. 48,8 6,82 0,09 3,4 0,55 0,91 1,9 3,9 9,0 3,5 5,7 6,3 0,23Moy. 16,0 5,09 0,02 0,86 0,11 0,18 0,44 0,37 0,40 0,94 1,1 2,3 0,07

5637 mm N = 33

n 26 29 19 30 30 30 30 30 16 30 30 30 5 Voir la légende du tableau II.

0

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0,06

Ca Mg K Na NH4 HCO3 Cl NO3 SO4

méq

/l

La VialasseJouc

Figure 2 - Composition chimique moyenne des eaux de pluie recueillies aux stations

de La Vialasse et de Jouc du 9 février 2000 au 2 septembre 2002 (le bicarbonate n'a pas représenté pour Jouc, le nombre des

échantillons analysés étant jugé insuffisant).

SO42- (r = +0,85).

- En ce qui concerne les régressions entre la conductivité et les cations, le coefficient de corrélation le plus élevé est trouvé pour le magnésium (r = +0,80), devant le calcium (r = +0,64), le potassium (r = +0,61), l'ammonium (r = +0,49) et le sodium (r = +0,45).

- La conductivité est fortement liée à la somme NO3

- + SO42- (r = +0,81). Les coefficients de

régression s'établissent à +0,72 pour le sulfate, +0,73 pour le nitrate et +0,54 seulement pour le chlorure.

- Les relations sont étroites entre Na+ et Cl- (r = +0,91 – valeur qui peut paraître relativement

9

faible pour ce couple d'éléments, mais les eaux sont extrêmement diluées et trois laboratoires ont été impliqués), Mg2+ et Ca2+ (r = +0,62 ; +0,75 en écartant un échantillon), Mg2+ et SO4

2- (r = +0,60), ce qui est classique dans les précipitations où se mélangent des éléments d'origines marine et continentale. Le calcium et le sulfate sont également unis par une relation significative au niveau 5 % (r = +0,39 à la station de La Vialasse ; +0,48 en écartant un échantillon).

- La liaison entre NH4+ et NO3

- est également assez forte (r = +0,44).

- En revanche, la relation est pratiquement nulle entre H+ et la somme NO3

- + SO42- (r = -0,04).

La relation avec H+ est un peu meilleure pour le sulfate (r = -0,15) que pour le nitrate (r =

-0,07), mais à des niveaux non significatifs. 2 ) Les apports d'éléments minéraux de

1999-00 à 2001-02 Les flux entrants ont été évalués à partir des hauteurs d'eau précipitées annuelles et des compositions chimiques annuelles moyennes des eaux recueillies. Les résultats sont portés dans le tableau IV. La grosse lacune portant à Jouc sur la période allant du 26 octobre au 16 novembre 2000 (P : 346,3 mm) a été comblée avec les concentrations déterminées dans les eaux recueillies à La Vialasse. De même, les données du poste de Jouc ont servi à pallier certaines lacunes au poste de La Vialasse.

Tableau IV - Apports annuels d'éléments minéraux atmosphériques dans les collecteurs d'eau de pluie

e La Vialasse et de Jouc de juillet 1999 à juin 2002 (Kéq/l pour Hd

+ ; t/km2 pour les autres éléments).

1999-00 P H+ SiO2 Ca2+ Mg2+ K+ Na+ NH4+ Cl- NO3

- SO42-

La Vialasse 1971 12,21 0,002 2,51 0,32 0,48 1,29 1,03 2,64 4,27 5,86 2000-01 P H+ SiO2 Ca2+ Mg2+ K+ Na+ NH4

+ Cl- NO3- SO4

2-

La Vialasse 2634 4,58 0,00 1,60 0,24 0,35 1,15 0,70 2,00 2,82 5,24 Jouc 2981 26,78 0,00 2,08 0,31 0,16 1,66 0,26 3,01 2,93 6,15 2001-02 P H+ SiO2 Ca2+ Mg2+ K+ Na+ NH4

+ Cl- NO3- SO4

2-

La Vialasse 1529 10,40 0,11 1,49 0,22 0,34 0,92 0,55 1,48 3,02 3,70 Jouc 1584 14,90 0,08 1,14 0,10 0,19 0,63 0,30 1,16 2,20 3,23 P : précipitations annuelles (mm).

Les écarts entre les apports aux postes de La Vialasse et de Jouc diffèrent sensiblement d'une année à l'autre. Les seuls éléments pour lesquels les valeurs se placent dans le même ordre en 2000-01 et 2001-02 sont le potassium et l'ammonium, dont les entrées ont été plus fortes à La Vialasse. En 2000-01, l'abondance des précipitations ne s'est pas accompagnée d'apports particulièrement abondants, les eaux de pluie

ayant été plus diluées. 3 ) Comparaison avec les données antérieures Le tableau V présente les données obtenues à la station de La Vialasse sur la période 1982-1995.

Tableau V - Composition chimique moyenne des eaux de pluie et apports annuels moyens d'éléments minéraux atmosphériques à la station de La Vialasse sur la période 1982-1995 (précipitations nnuelles moyennes : 1868 mm ; valeurs extrêmes : 1075 et 2540 mm). a

H+ * SiO2 Ca2+ Mg2+ K+ Na+ NH4

+ HCO3- Cl- NO3

- SO42-

Conc. 20,9 0,06 0,73 0,12 0,18 0,69 0,39 0,46 1,2 1,4 2,9 Apports 37,4 0,11 1,37 0,23 0,34 1,29 0,73 0,86 2,18 2,52 5,41 Conc. : concentration moyenne pondérée par les pluies (*µéq/l pour H+, mg/l pour les autres éléments). Apports : apports d'éléments minéraux annuels moyens (Kéq/l pour H+, t/km2/an pour les autres éléments). * : sur 11 années complètes avec le même protocole de mesure du pH (juillet 1984 - juin 1995).

10

Par rapport aux valeurs moyennes sur la période 1982-1995, les années 1999-00 à 2001-02 se caractérisent par de fortes entrées de calcium (1,49 à 2,51 t/km2/an à La Vialasse, contre 1,37 t/km2/an sur la période 1982-1995), cela en relation avec la fréquence des épisodes à poussières sahariennes. Le nitrate a également été fourni en abondance (2,82 à 4,27 t/km2/an, contre 2,52 t/km2/an). Pour les autres éléments, les apports ont été globalement assez proches des valeurs moyennes sur la période 1982-1995. On observe, en particulier, que le sulfate n'a pas montré de diminution nette par rapport aux suivis antérieurs, même si les entrées ont atteint 4,93 t/km2/an en moyenne de juillet 1999 à juin 2002, contre 5,41 t/km2/an sur la période 1982-1995. La différence entre les deux périodes s'explique en effet par la très faible pluviosité de l'année 2001-2002. Certes, les entrées de sulfate et de calcium ont été globalement mesurées en nette diminution en France de 1993 à 2002, pour les 26 stations de mesure du réseau CATAENAT : -39,7 % en moyenne pour les concentrations du sulfate ; -29,8 % pour celles du calcium (E. ULRICH, 2003). Mais cette évolution est loin d'être générale. De 1993 à 1998, l'abais-sement des concentrations du sulfate, interprété comme la conséquence de la réduction des émissions de soufre liées aux activités indus-trielles, concernait 36 % des stations (au nombre de 27) et celle des dépôts de cet élément n'était sensible que sur 19 % d'entre elles (E. ULRICH et al., 2002).

En ce qui concerne H+, les concentrations moyennes et les apports annuels trouvés sur la période 1999-2002 (4,4 µéq/l ; 9,1 Kéq/km2) ont été sensiblement plus faibles que sur la période antérieure (20,7 µéq/l ; 39,4 Kéq/km2). Cela tient évidemment à l'amélioration des mesures du pH, du moins en très grande partie. 4 ) Les apports de poussières Les pesées et les examens à la loupe binoculaire ont été réalisés à l'Unité de Biogéochimie Marine de l'École Normale Supérieure de Paris. Les observations à la loupe binoculaire des refus de filtration, permettent de

istinguer : d - les poussières d'origine locale (débris végétaux

et grains minéraux plus ou moins grossiers) ; - les poussières d'origine lointaine, qui se décom-

posent en poussières d'origine anthropique (pollution), de couleur noire, et en poussières sahariennes, de couleur brun-rouge.

La chronique comprend 71 échantillons.

Les 24 premiers échantillons (prélevés du 11 mars au 1er octobre 1998) ont été exploités dans la thèse de H. CELLE (2000). La deuxième série (47 échantillons) a été collectée du 13 septembre 1999 au 4 août 2001. Les données sont présentées dans le tableau VI.

T

ableau VI - Les apports de poussières à la station de La Vialasse.

Du 11/03 au 01/10 1998 Du 19/09/99 au 04/08/01 Précipitations (mm) 998 4504 Poussières totales (mg/m2) 1095 11327 - Poussières locales (mg/m2) 585 2387 - Apports lointains (mg/m2) 510 8754 (pollution) – (1185) (poussières sahariennes) – (7569)

Les apports de poussières ont été faibles de mars à octobre 1998. En revanche, ils ont été relativement forts de septembre 1999 à août 2001. Sur les 47 échantillons analysés de septembre 1999 à août 2001, 14 seulement renfermaient des poussières de type saharien, contre 33 des poussières de type pollution et 28 des poussières de type local. Les poussières d'origine saharienne n'en représentent pas moins

la part la plus importante de l'ensemble des poussières (67 % des poussières, pour 30 % seulement des échantillons). Aucune analyse, chimique ou minéra-logique, n'a été effectuée sur les poussières récoltées sur le Mont-Lozère. M.D. LOŸE-PILOT et al. (1986) indiquent, à propos de la Corse, que les poussières sahariennes présentent des teneurs en calcite allant de 5 à plus de 30 % et qu'elles renferment également du gypse, mais avec des

11

teneurs généralement inférieures à 2 %. A. AVILA et al. (1997) observent, sur le site de Montseny en Catalogne, que ces poussières contiennent, outre du quartz, du feldspath et des minéraux argileux, de la calcite (teneur médiane de 7,5 % pour 13 événements – extrêmes : 0,5 et 21 %) et de la dolomie (teneur médiane de 5 % – extrêmes : 0,5 et 9 %). La présence de poussières sahariennes se traduit dans la composition chimique des eaux de pluie, notamment par un pH élevé et de fortes concentrations du calcium et du sulfate. Si le gypse est complètement dissous dans les eaux de pluie, la calcite et la dolomie vont continuer de le faire après leur dépôt. Sur la période allant du 19 septembre 1999 au 4 août 2001, les retombées de poussières sahariennes à la station de la Latte représentent des apports de l'ordre de 0,11 t/km2/an pour le calcium et de 0,05 t/km2/an

pour le magnésium. En revanche, du 11 mars au 1er octobre 1998, les entrées de ces éléments liés aux apports de poussières ont été très faibles. Du fait de cette variabilité, il est impossible de se faire une idée des apports annuels moyens à partir des quelques données disponibles. IV - LES EAUX DES RUISSEAUX Le tableau VII résume les résultats des analyses d'eau pour les stations des Cloutasses, de la Baraquette (Alignon) et de la Cépède (Goudesche) où les prélèvements ont été également répartis tout au long de la période d'étude. Les eaux apparaissent légèrement acides et très faiblement minéralisées.

Tableau VII - Composition chimique des eaux du ruisseau des Cloutasses, de l'Alignon à la Baraquette et de la Goudesche à la Cépède sur la période 1999-2002 : moyennes arithmétiques des valeurs

esurées (en gras), médianes (en italique), maxima et minima (entre parenthèses). m

Cloutasses (bassin de 0,81 km2)

Alignon à la Baraquette(bassin de 14,5 km2)

Goudesche à la Cépède(bassin de 10,7 km2)

pH 6,33 - 6,35 (5,67 - 6,62 ; n = 56)

6,49 - 6,50 (5,87 - 6,90 ; n = 78)

6,58 - 6,57 (6,24 - 6,89 ; n = 58)

Conductivité à 25 °C (µS/cm/cm2)

15,8 - 15,7 (12,3 - 23,9 ; n = 56)

20,8 - 20,2 (17,3 - 28,6 ; n = 79)

27,2 - 23,7 (19,5 - 37,4 ; n = 60)

SiO2 (mg/l) 2,72 - 2,78 (1,58 - 4,2 ; n = 39)

3,41 - 3,55 (0,71 - 4,9 ; n = 45)

3,95 - 3,96 (1,2 - 5,0 ; n = 41)

Ca2+ (mg/l) 1,15 - 1,15 (0,80 - 1,5 ; n = 44)

1,46 - 1,40 (1,0 - 2,2 ; n = 50)

1,66 - 1,62 (1,1 - 2,5 ; n = 46)

Mg2+ (mg/l) 0,31 - 0,30 (0,20-0,47 ; n = 44)

0,47 - 0,45 (0,35 - 0,71 ; n = 50)

0,82 - 0,82 (0,45 - 1,2 ; n = 46)

K+ (mg/l) 0,28 - 0,24 (0,15 - 0,60 ; n = 44)

0,44 - 0,39 (0,29 - 1,1 ; n = 50)

0,43 - 0,43 (0,30 - 0,72 ; n = 45)

Na+ (mg/l) 1,05 - 1,02 (0,79 - 1,6 ; n = 44)

1,30 - 1,26 (1,0 - 1,8 ; n = 50)

1,73 - 1,73 (1,1 - 2,7 ; n = 46)

NH4+ (mg/l) 0,038 - 0,025

(0,00 - 0,12 ; n = 39) 0,032 - 0,025

(0,00 - 0,11 ; n = 46) 0,039 - 0,021

(0,00 - 0,17 ; n = 42)

HCO3- (mg/l) 2,76 - 2,79

(1,0 - 4,0 ; n = 20) 4,14 - 3,90

(1,7 - 6,8 ; n = 19) 5,49 - 5,13

(2,4 - 9,2 ; n = 18)

Cl- (mg/l) 1,12 - 1,10 (0,81 - 1,85 ; n = 44)

1,47 - 1,45 (1,15 - 2,3 ; n = 50)

2,22 - 2,11 (1,1 - 5,3 ; n = 46)

NO3- (mg/l) 0,42 - 0,35

(0,00 - 1,1 ; n = 44) 0,93 - 0,86

(0,15 - 2,0 ; n = 50) 0,68 - 0,66

(0,30 - 2,0 ; n = 46)

SO42- (mg/l) 2,78 - 2,47

(1,9 - 7,6 * ; n = 43) 2,78 - 2,70

(1,7 - 4,1 ; n = 51) 3,52 - 3,51

(2,7 - 4,6 ; n = 46)

Σ+ (méq/l) 0,136 - 0,135 (0,096 - 0,176 ; n = 44)

0,179 - 0,171 (0,132 - 0,264 ; n = 50)

0,237 - 0,229 (0,163 - 0,336 ; n = 45)

Entre parenthèses : valeurs extrêmes et nombre d'échantillons analysés (n). Σ+ : somme des cations basiques (Ca2+, Mg2+, K+ et Na+). * : nous avons exclu une valeur de 17,2 mg/l, la balance ionique de cet échantillon étant fortement déséquilibrée au profit des anions.

12

1 ) pH Les moyennes arithmétiques des pH corres-pondant aux mesures effectuées suivant la variante 1 du protocole adopté (en petit récipient avec faible agitation) s'établissent comme suit : 6,33 pour le ruisseau des Cloutasses ; 6,34 pour celui de Jouc (5,97 à 6,58 – n : 44) ; 6,49 pour l'Alignon à la Baraquette et 6,58 pour la

Goudesche. Les données dont nous disposons ne mettent pas en évidence de variation systéma-tique des pH en fonction des saisons. La figure 3 fait plutôt ressortir une augmentation assez régu-lière des pH sur la période 1999-2002, mais l'interprétation de cette figure est délicate, les valeurs acquises jusqu'à la mi-octobre 2000 ayant été reconstituées lors de l'homogénéisation des données.

5,8

6,0

6,2

6,4

6,6

6,8

7,0

19/0

2/99

20/0

4/99

19/0

6/99

18/0

8/99

17/1

0/99

16/1

2/99

14/0

2/00

14/0

4/00

13/0

6/00

12/0

8/00

11/1

0/00

10/1

2/00

08/0

2/01

09/0

4/01

08/0

6/01

07/0

8/01

06/1

0/01

05/1

2/01

03/0

2/02

04/0

4/02

03/0

6/02

02/0

8/02

01/1

0/02

Dates

pH

AlignonGoudesche

Figure 3 - Mesures du pH des eaux de l'Alignon au pont de la Baraquette

et de la Goudesche à la Cépède. Les pH sont corrélés négativement aux débits. Certes, la relation est souvent très médiocre (Tab. VIII), mais il n'en demeure pas moins vrai que sur la période 1999-2002, les débits ayant fait l'objet d'une mesure du pH sont oin des plus forts débits mesurés : 602 l/s (pH =

5,94) sur le ruisseau des Cloutasses, contre un débit maximal de 1509 l/s ; 11761 l/s (pH = 5,87) sur l'Alignon au pont de la Baraquette, contre 27426 l/s ; 8517 l/s (pH = 6,39) sur la Goudesche, contre 25200 l/s…

l Tableau VIII - Coefficients de corrélation linéaire (r) entre le débit instantané et les différents paramètres mesurés dans les eaux du ruisseau des Cloutasses, de l'Alignon au pont de la Baraquette et

e la Goudesche à la Cépède sur la période 1999-2002. d

pH Cond. SiO2 Σ+ Ca2+ Mg2+ K+ Na+ NH4+ HCO3

- Cl- NO3- SO4

2-

Cloutasses -0,28 -0,47 -0,44 -0,66 -0,58 -0,55 -0,20 -0,49 -0,02 -0,65 -0,03 -0,28 +0,02 Alignon -0,56 -0,46 -0,38 -0,50 -0,46 -0,48 +0,02 -0,55 -0,02 -0,66 -0,05 +0,12 +0,13 Goudesche -0,31 -0,35 -0,34 -0,24 -0,16 -0,18 +0,07 -0,37 -0,17 -0,66 -0,14 -0,00 -0,16 Cond. : conductivité. Nombre d'échantillons : voir tableau VII.

Les données recueillies à la station de la Baraquette montrent qu'à l'échelle annuelle, la relation entre la concentration en ions H+ et le débit (r = +0,63 – Fig. 4) est plus étroite que celles entre le débit et le pH (r = -0,58) ou entre

le logarithme du débit et le pH (+0,44). Pour un épisode hydrologique donné, les mesures effectuées en décrue permettent d'établir des équations évidemment plus pertinentes que les équations annuelles.

13

y = 0,0000537x + 0,287r2 = 0,395

0

0,4

0,8

1,2

1,6

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000

Qi (l/s)

H+ (µ

éq/l)

Figure 4 - Régression entre la concentration en ions H+ et le débit pour les eaux de l'Alignon

au pont de la Baraquette sur la période 1999-2002. En appliquant l'équation de la droite de régression trouvée pour l'Alignon au pont de la Baraquette, entre les concentrations en ions H+ et les débits pour les prélèvements des 21 et 26 octobre 1999 (débits de 11761 l/s et de 1831 l/s respectivement, en décrue), on évalue à 5,75 le pH en pointe de crue le 21 octobre (27400 l/s). En utilisant les autres relations, les valeurs en pointe de crue s'établissent à 5,71 en utilisant la relation entre le pH et le débit et à 5,86 en utilisant celle entre le pH et le logarithme du débit. Sur la Goudesche, pour le même épisode, le pH a diminué au cours de la décrue : 6,39 le 21 pour un débit de 8517 l/s ; 6,24 le 26 pour un débit de 780 l/s. Le ruisseau des Cloutasses n'a pas été échantillonné les 21 et 26 octobre 1999. L'ensemble des résultats ne témoigne pas d'une très forte acidité du milieu. On notera en outre que les pH les plus bas ne correspondent pas toujours à des écoulements très violents. Cela est particulièrement vrai dans l'exemple des Cloutasses, la valeur la plus faible ayant été observée, le 11 octobre 2001 pour un débit de 9,4 l/s (pH de 5,67 pour un flacon d'échantillon et de 5,97 pour un autre). Mais les échantillons prélevés ce jour là dans les autres cours d'eau n'ont pas manifesté une telle acidité. Pour un petit bassin versant comme celui des Cloutasses, les eaux fournies par les versants à proximité du point de prélèvement peuvent avoir une forte influence, en particulier en période pluvieuse (précipitations de 114,1 mm du 28 septembre au 9 octobre 2001, dont 8,7 mm le 9 octobre). Cela explique du reste la faiblesse du coefficient de régression linéaire entre le débit et le pH pour le ruisseau des Cloutasses.

On notera que les eaux de source ont des pH beaucoup plus faibles que les ruisseaux. En effet, elles sont chargées en gaz carbonique, et leur dégazage s'effectue assez rapidement dans les cours d'eau. Ainsi, le 11 septembre 2001, la source de la Latte (dont les eaux assuraient l'intégralité du débit du ruisseau) présentait un pH de 5,82 ; alors que quelques dizaine de mètres en aval, au niveau de la station limnigraphique, le pH atteignait déjà 6,63. 2 ) Minéralisation Pour les prélèvements effectués de septembre 1999 à septembre 2002 (Tab. VII), la moyenne arithmétique des conductivités à 25 °C s'élève à 15,8 µS/cm/cm2 pour le ruisseau des Cloutasses ; 17,6 µS/cm/cm2 pour celui de Jouc (15,9 à 21,1 – n : 45) ; 20,8 µS/cm/cm2 pour l'Alignon à la Baraquette et 27,2 µS/cm/cm2 pour la Goudesche. Les eaux de l'Alignon à la Baraquette présentent une minéralisation supérieure à celle des eaux du ruisseau des Cloutasses. L'accrois-sement est assez sensible pour le nitrate, sans doute en relation avec la localisation du hameau de Masméjean dans la partie moyenne du bassin. Les eaux de la Goudesche se révèlent plus riches en éléments dissous que celles de l'Alignon. La lithologie intervient évidemment à cet égard. Mais il semble qu'il faille moins incriminer les proportions relatives de granite (75 % dans le bassin de l'Alignon, contre 10 % dans celui de la Goudesche) et de micaschistes (25 % dans le bassin de l'Alignon, contre 85 % dans celui de la Goudesche), que la présence – même si elle est très discrète – de roches sédimentaires du Trias susceptibles de contenir des évaporites, dans le bassin de la Goudesche. En effet, plusieurs

14

campagnes de mesures portant sur de nombreux cours d'eau, ont montré que beaucoup de ruisseaux sur micaschistes, dont celui de Jouc, écoulent des eaux très peu minéralisées. En considérant les concentrations moyennes exprimées en méq/l, le calcium est le cation

dominant, devant le sodium, le magnésium et le potassium (Fig. 5). Le magnésium est relati-vement bien représenté dans les eaux de la Goudesche. Parmi les anions, le plus abondant est soit le sulfate (Cloutasses) soit le bicarbonate (Baraquette et Goudesche). Ces deux éléments précèdent le chlorure et le nitrate.

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

Ca Mg K Na NH4 HCO3 Cl NO3 SO4

méq

/l

CloutassesBaraquetteGoudesche

Figure 5 - Moyennes arithmétiques des concentrations (méq/l) mesurées dans les eaux

des ruisseaux des Cloutasses, de l'Alignon à la Baraquette et de la Goudesche à la Cépède sur la période 1999-2002.

Pour chaque cours d'eau, la minéralisation globale des eaux et les différentes concentrations manifestent des variations importantes, en particulier pour le nitrate et la silice (Fig. 6 à 8). Pour l'Alignon, la station des Urfruits a été choisie de préférence à celle de la Baraquette, car elle a fait l'objet de nombreux prélèvements en 2002. Parmi les exemples présentés, les variations les plus sensibles sont observées sur la Goudesche. Les données disponibles ne permet-tent pas de dégager de tendances saisonnières, sauf pour la silice dont les teneurs apparaissent maximales en fin d'étiage. Les régressions linéaires entre la composition chimique des eaux et le débit se révèlent assez lâches (Tab. VIII). Les coefficients de corrélation (r) sont généralement négatifs, ce qui pourrait témoigner d'une diminution des concentrations en hautes eaux. Il faut cependant admettre que les données disponibles restent peu démonstratives à cet égard (Fig. 9 à 11). Les eaux étant toujours peu minéralisées, la composition chimique des eaux de pluie, la concentration des eaux souterraines par l'évapotranspiration, la libération d'éléments minéraux par l'altération des roches et les cycles biogéochimiques combinent

leurs effets pour rendre complexes les fluctua-tions dans le temps des concentrations de tous les éléments. Que le débit soit assez mal corrélé avec la concentration de la plupart des éléments sur une période de trois ans n'est pas surprenant, les conditions étant très changeantes d'un épisode hydrologique à l'autre (C. MARTIN, 1987). Mais la conductivité des eaux n'est pas non plus reliée de façon très étroite aux concentrations de tous les éléments. En ce qui concerne l'Alignon à la Baraquette (Tab. IX), les régressions les plus serrées impliquant ce paramètre sont établies avec le magnésium (r = +0,82), le bicarbonate (r = +0,79) et la somme des cations basiques (r = +0,77). Les relations ne sont pas meilleures entre les éléments minéraux. Certes, le bicarbonate est fortement lié au calcium (r = +0,83) et au magnésium (+0,89). Mais la relation entre le chlorure et le sodium s'est fortement dégradée par rapport aux précipitations (r = +0,39 seulement). Dans les eaux de l'Alignon au pont de la Bara-quette, le calcium est assez bien lié au magnésium (r = +0,81 – Fig. 12) et au sodium (r = +0,77 – Fig. 13).

15

0

400

800

1200

Qi (

l/s)

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

20/0

9/99

20/1

0/99

19/1

1/99

19/1

2/99

18/0

1/00

17/0

2/00

18/0

3/00

17/0

4/00

17/0

5/00

16/0

6/00

16/0

7/00

15/0

8/00

14/0

9/00

14/1

0/00

13/1

1/00

13/1

2/00

12/0

1/01

11/0

2/01

13/0

3/01

12/0

4/01

12/0

5/01

11/0

6/01

11/0

7/01

10/0

8/01

09/0

9/01

09/1

0/01

mg/

l

SiO2 Ca Mg K NO3

La figure supérieure indique les débits journaliers (trait) et les débits instantanés au moment des prélèvements (ronds).

Figure 6 - Variations des concentrations de certains éléments dans les eaux du ruisseau des Cloutasses sur la période 1999-2001.

0

5000

10000

15000

20000

Qi (

l/s)

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0

25/0

7/99

24/0

8/99

23/0

9/99

23/1

0/99

22/1

1/99

22/1

2/99

21/0

1/00

20/0

2/00

21/0

3/00

20/0

4/00

20/0

5/00

19/0

6/00

19/0

7/00

18/0

8/00

17/0

9/00

17/1

0/00

16/1

1/00

16/1

2/00

15/0

1/01

14/0

2/01

16/0

3/01

15/0

4/01

15/0

5/01

14/0

6/01

14/0

7/01

13/0

8/01

12/0

9/01

12/1

0/01

mg/

l

SiO2 Ca Mg K NO3

La figure supérieure indique les débits journaliers (trait) et les débits instantanés au moment des prélèvements (ronds).

Figure 7 - Variations des concentrations de certains éléments dans les eaux de la Goudesche sur la période 1999-2001.

16

0

2000

4000

6000

Qi (

l/s)

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

20/0

3/00

19/0

4/00

19/0

5/00

18/0

6/00

18/0

7/00

17/0

8/00

16/0

9/00

16/1

0/00

15/1

1/00

15/1

2/00

14/0

1/01

13/0

2/01

15/0

3/01

14/0

4/01

14/0

5/01

13/0

6/01

13/0

7/01

12/0

8/01

11/0

9/01

11/1

0/01

10/1

1/01

10/1

2/01

09/0

1/02

08/0

2/02

10/0

3/02

09/0

4/02

09/0

5/02

08/0

6/02

mg/

l

SiO2 Ca Mg K NO3

La figure supérieure indique les débits journaliers (trait) et les débits instantanés au moment des prélèvements (ronds).

Figure 8 - Variations des concentrations de certains éléments dans les eaux de l'Alignon à la station des Urfruits sur la période 2000-2002.

y = -0,000197x + 0,33r2 = 0,31

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0 100 200 300 400 500 600 700

Qi (l/s)

Mg2+

(mg/

l)

Figure 9 - Régression entre la concentration du magnésium et le débit instantané pour les eaux

du ruisseau des Cloutasses sur la période septembre 1999-septembre 2002.

y = -0,000216x + 4,17r2 = 0,29

0

1

2

3

4

5

6

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000

Qi (l/s)

SiO

2 (m

g/l)

Figure 10 - Régression entre la concentration de la silice et le débit instantané pour les eaux

du ruisseau de la Goudesche sur la période 1999-2002.

17

y = -0,0000708x + 1,80r2 = 0,14

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000

Qi (l/s)

Na+ (m

g/l)

Figure 11 - Régression entre la concentration du sodium et le débit instantané pour les eaux

du ruisseau de la Goudesche sur la période 1999-2002. Tableau IX - Coefficients de corrélation linéaire (r) entre les paramètres mesurés dans les eaux de Alignon à la Baraquette sur la période 1999-2002. l'

Cond pH SiO2 Ca2+ Mg2+ K+ Na+ ∑+ NH4

+ HCO3- Cl- NO3

-

SO42- +0,21 -0,47 -0,03 +0,04 +0,29 +0,35 +0,15 -0,21 -0,21 +0,10 +0,39 -0,11

NO3- -0,02 -0,43 -0,01 -0,04 -0,09 +0,23 -0,05 -0,34 -0,34 -0,04 +0,29

Cl- +0,45 -0,22 +0,06 +0,34 +0,37 +0,80 +0,39 -0,04 -0,04 +0,42 HCO3

- +0,79 +0,63 +0,87 +0,83 +0,89 +0,40 +0,60 +0,69 +0,69 NH4

+ +0,20 +0,01 +0,13 +0,46 +0,16 +0,26 +0,16 +0,08 ∑+ +0,77 +0,27 +0,53 +0,94 +0,89 +0,60 +0,85 Na+ +0,63 +0,19 +0,59 +0,69 +0,66 +0,43 K+ +0,52 -0,19 +0,02 +0,46 +0,47 Mg2+ +0,82 +0,26 +0,47 +0,84 Ca2+ +0,66 +0,39 +0,51 SiO2 +0,33 +0,28 pH +0,16 Σ+ : somme des cations (méq/l). Nombre d'échantillons : 50, sauf pour conductivité - pH (76) et pour les régressions impliquant la silice (45), l'ammonium (46) et le bicarbonate (19 avec la conductivité et le pH, 16 avec l'ammonium, 17 avec les autres éléments).

y = 0,243x + 0,12r2 = 0,70

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2

Ca2+ (mg/l)

Mg2+

(mg/

l)

Figure 12 - Régression entre les concentrations du calcium et du magnésium pour les eaux

de l'Alignon à la Baraquette sur la période 1999 - 2002.

18

y = 0,526x + 0,53r2 = 0,47

0,6

1,0

1,4

1,8

2,2

1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2

Ca2+ (mg/l)

Na+ (m

g/l)

Figure 13 - Régression entre les concentrations du calcium et du sodium pour les eaux

de l'Alignon à la Baraquette sur la période 1999-2002. V - LES INTERROGATIONS SUR

L'ÉVOLUTION DES EAUX ET LEUR ÉVENTUELLE ACIDIFICATION

Dans les régions françaises de roches cristallines, l'acidification des sols, et donc des eaux, peut constituer un phénomène naturel inéluctable (G. PÉDRO, 2002). Les activités anthropiques, et notamment les rejets de gaz carbonique et de composés d'acides forts, ont en outre considérablement accéléré les phénomènes d'acidification. Dans un article paru en 1992, P. DURAND et al. concluent, sur la base de résultats fournis par le modèle MAGIC, à un risque d'acidification des eaux des bassins versants boisés du Mont-Lozère (pessière ou hêtraie). Dans le cas du maintien au niveau de 1984 des apports atmosphériques de soufre, le pH des eaux des ruisseaux de la Latte (pessière) et de la Sapine (hêtraie) descendrait en dessous de 5 dès 2020-2030 (contre 5,8 en 1984). Le risque serait moindre pour le bassin des Cloutasses (sous pelouse), où le pH atteindrait 5,5 vers 2050. Sous pessière, le pH continuerait à descendre jusqu'à la fin de la modélisation (4,8 environ en 2124). Sous hêtraie, il amorcerait une légère remontée à partir de 2070 (valeur minimale = 4,8). Une réduction de 60 % des apports de soufre entre 1984 et 2010 réduirait considérablement l'évo-lution des pH. La diminution la plus sensible serait enregistrée sous hêtraie : le pH appro-cherait 5,5 entre 2005 et 2020, puis les valeurs remonteraient légèrement, mais sans retrouver leur niveau antérieur à 1870 (pH = 6,1) avant la fin de la modélisation. Dans l'hypothèse d'une

diminution de 30 % des apports de soufre entre 1984 et 2010, le pH des eaux du bassin de la Latte (pessière) descendrait jusqu'à 5,2 environ en 2124. B. GUILLET et al. (1997) utilisent une autre approche, l'évaluation des charges critiques acides. Le calcul de ces charges critiques, réalisé à partir de l'analyse chimique des eaux de plus d'une centaine de cours d'eau échantillonnés en mai et septembre 1996 sur une surface de 1650 km2 dans les Cévennes cristallines, ne met pas en évidence de problème grave d'acidi-fication. Dans l'ensemble, la région cévenole s'est révélée moins sensible à l'acidification que d'autres régions françaises, notamment les Vosges et les Ardennes. Le seul secteur suscep-tible de présenter une sensibilité à l'acidification englobe une grande partie du bassin versant de l'Alignon, puisqu'il couvre principalement la zone d'affleurement du granite du Pont-de-Montvert, entre le Pic Cassini et la forêt domaniale du Bougès. Toutefois cette sensibilité se manifes-terait uniquement pour des apports acides compris entre 60 et 120 Kéq/km2/an. La borne inférieure de cette fourchette de valeurs est sensiblement plus forte que les apports annuels moyens dans les pluies incidentes mesurés à la station de La Vialasse de juillet 1984 à juin 1996 (39,4 Kéq/km2 ; Précipitations moyennes : 1937 mm ; pH moyen : 4,64). Les apports maximaux ont atteint 86,0 Kéq/km2 en 1984-85 (P : 2008 mm ; pH moyen : 4,39) et minimaux 14,0 Kéq/km2 en 1986-87 (P : 1348 mm ; pH moyen : 4,98). Après la modification du protocole de mesure du pH, les apports mesurés sur la période 1999-2002 sont devenus beaucoup plus faibles, et cela d'autant plus que cette

19

période a été marquée par des retombées abondantes de poussières sahariennes. Pour finir, il convient d'ajouter que les recherches sur les pluviolessivats menées sur le Mont-Lozère (J. F. DIDON-LESCOT, 1995) ne mettent pas en évidence une augmentation des flux d'ions H+ à travers le couvert végétal, sous hêtraie comme sous pessière, sauf effet de lisière. Les calculs mis en œuvre dans la démarche adoptée par P. DURAND et al. comme dans celle utilisée par B. GUILLET et al., reposent sur un certain nombre d'hypothèses dont certaines ne sont pas réellement validées : évolution des prélèvements d'éléments minéraux par la végétation pour le modèle MAGIC, altération des roches et des minéraux des sols pour les deux approches… Mais, surtout, le modèle MAGIC s'appuyait sur des mesures de pH non totalement satisfaisantes qui donnaient une vision pessimiste des apports acides et de l'état initial du milieu. En complément de ces approches, dont les résultats peuvent être considérés, à bien des

égards, comme purement théoriques, on peut tenter de comparer les séries de mesures du pH réalisées sur des échantillons prélevés à plusieurs années d'intervalle. 1 ) Les indications des prélèvements de juin

1999 et de mai 2001 Les pH mesurés sur les eaux prélevées en juin 1999 et en mai 2001 fournissent des termes de comparaison avec les résultats obtenus en septembre 1982 (B. WEDRAOGO-DUMAZET, 1983) et en mai 1986 (A.S. FARAH, 1986) (Tab. X). L'interprétation des données est évidemment délicate, en raison, d'une part, de la variabilité du pH sur de courtes périodes (voir Fig. 6 à 8) et, d'autre part, des différences entre les matériels et les protocoles utilisés. De plus, les points de prélèvement communs à ces différentes séries sont peu nombreux. Les comparaisons ne peuvent donc pas être probantes. Mais elles fournissent cependant quelques informations qu'il ne faut pas négliger.

Tableau X - Comparaison des pH mesurés dans des eaux prélevées sur le bassin de l'Alignon entre 1982 et 2001. 28/05/86 14/06/99 15/09/82 14/06/99 16/05/01 16/05/01 P La Vialasse (mm) sur 12 jours 7,5 288,7 50,6 288,7 50,9 50,9 P La Vialasse (mm) du jour 0,0 0,0 0,0 0,0 2,4 2,4 Qis (l/s/km2) Cloutasses 20,9 77,8 13,0 77,8 53,1 53,1 Qis (l/s/km2) Latte 32,8 148,7 9,7 148,7 51,3 51,3 Qis (l/s/km2) Sapine 16,7 55,4 1,1 55,4 39,4 39,4 pH [A] pH [A] pH [B-1] pH [B-2] pH [B-3] pH [B-4] Cloutasses (au limnigraphe) 6,00 5,75 Latte (au limnigraphe) 5,80 5,75 Cougneiral (près de la route) 5,98 5,65 6,23 6,15 6,42 6,10 Quaraze (près de la route) 6,00 5,75 6,35 6,25 6,40 6,22 Jouc (confluence avec l'Alignon) 6,10 5,90 6,43 6,28 6,40 6,22 Sapine (au limnigraphe) 6,00 5,85 Faysse (près de la route) 5,85 6,15 6,00 6,38 6,51 6,37 Rouvières (près confluence) 6,30 5,78 6,54 6,22 6,58 6,41 P La Vialasse (mm) sur 12 jours : précipitations à la station de La Vialasse au cours des 12 jours ayant précédé celui des prélèvements. P La Vialasse (mm) du jour : précipitations à la station de La Vialasse le jour des prélèvements. pH [A] : pH avec agitation continue (pH-mètre Tacussel et électrode Bioblock). pH [B-1] : pH terrain sans agitation au moment de la mesure (matériel WTW). pH [B-2] : pH sans agitation au moment de la mesure (pH-mètre Tacussel et électrode Bioblock). pH [B-3] : pH sans agitation au moment de la mesure (matériel Radiometer – protocole de référence). pH [B-4] : pH sans agitation au moment de la mesure (pH-mètre Schott et électrode Bioblock).

20

La comparaison entre les séries du 28 mai 1986 et du 14 juin 1999 montre une sensible diminution du pH dans 7 cas sur 8. La moyenne arithmétique des valeurs mesurées passe de 6,00 en mai 1986 à 5,82 en juin 1999. Bien sûr, les prélèvements ont été effectués pour des conditions hydrologiques extrêmement variées (Tab. X). Mais on est loin, en tout cas, des diminutions spectaculaires de pH annoncées par le modèle MAGIC pour les ruisseaux de la Sapine (pH des eaux prévu pour 1999 : 5,1) et de la Latte (pH prévu : 5,35). En ce qui concerne ce dernier, le bassin versant a pourtant subi la perturbation d'une coupe forestière à blanc (1987 à 1989) qui n'était pas intégrée dans la modéli-sation. On constate en outre que les diminutions du pH enregistrées sur les ruisseaux de la Sapine et de la Latte sont inférieure ou égale à celle observée sur le ruisseau des Cloutasses. Or, d'après le modèle MAGIC, celui-ci ne devrait être que très modestement affecté par la dimi-nution des pH. La comparaison des pH mesurés le 15 septembre 1982 avec ceux mesurés le 28 mai 1999 et le 15 mai 2001 est elle aussi difficile, surtout que les prélèvements n'ont pas été effectués au cours des mêmes saisons. Rien n'indique cependant que les pH aient diminué entre 1982 et 2001 (pH [B-3]). On remarque par ailleurs que les forts débits lors des prélèvements de 1999 se sont traduits par des pH relativement faibles, ce qui, dans la comparaison entre les séries de 1986 et de 1999 (pH [A]), renforce l'idée que les eaux ne sont pas en cours d'acidification. 2 ) Les prélèvements de juin 2002 Une nouvelle campagne de prélèvements a

été réalisée les 13 et 14 juin 2002, quelques jours après des pluies assez abondantes qui se sont produites entre le 3 et le 9 juin (110 mm à la station de La Vialasse), mais dont les effets sont restés modestes sur l'écoulement des ruisseaux. Cette campagne a été étendue à l'ensemble du bassin cristallin du haut Tarn (Tarn en amont de Cocurès et haut bassin du Briançon). Elle a été conçue avec un double objectif : d'une part, permettre une comparaison plus poussée avec les données antérieures et, d'autre part, participer à la connaissance de l'état actuel des eaux à partir de laquelle il sera possible de suivre les évolutions dans l'avenir. Trente trois échantillons ont été traités (pH et conductivité au moins), dont vingt ont subi une analyse chimique complète. Les données sont regroupées en annexes. Ces résul-tats viennent compléter les analyses effectuées par B. GUILLET et al. (1997) sur une vingtaine d'échantillons prélevés dans le bassin versant du haut Tarn. Le tableau XI synthétise les résultats obtenus sur les échantillons prélevés en juin 2002 dans le bassin versant du haut Tarn. Toutes les eaux apparaissent faiblement minéralisées. Celles qui présentent les plus fortes conductivités proviennent de bassins versants qui renferment des roches sédimentaires (Trias, Lias, Jurassi-que) : bassins de Vallongue (112 µS/cm/cm2), de Runes (60 µS/cm/cm2) et de Ramposel (48 µS/cm/cm2), situés dans la partie aval du terrain d'étude. En fait, les roches sédimentaires sont présentes dans beaucoup d'autres bassins versants (Goudesche, Martinet, Peyrou du Rieu-malet, Viala…). Leur influence se fait sentir non seulement sur la minéralisation des eaux, mais aussi sur les valeurs du pH.

Tableau XI - Caractères chimiques des eaux prélevées les 13 et 14 juin 2002 sur le bassin du haut

arn. T

Cond. pH SiO2 Ca2+ Mg2+ K+ Na+ HCO3- Cl- NO3

- SO42- Σ+ Σ-

Moy. 27,48 6,77 4,42 1,38 0,47 0,33 1,40 5,50 1,12 0,57 2,35 0,177 0,177Méd. 20,45 6,74 4,12 1,08 0,41 0,27 1,27 3,81 1,01 0,63 2,36 0,149 0,156Min. 11,8 5,76 2,61 0,60 0,19 0,13 0,97 1,37 0,75 0,02 1,16 0,102 0,100Max. 112,3 7,61 7,50 3,57 0,91 0,79 2,30 16,95 2,03 1,44 3,73 0,369 0,373

Moy. : moyenne. Méd. : médiane. Min. : minimum. Max. : maximum. Nombre d'échantillons considérés : 32 pour la conductivité et le pH, 19 pour les dosages des différents éléments. Cond. : conductivité à 25°C mesurée au laboratoire. pH : pH à 25°C mesuré au laboratoire en petit godet avec très faible agitation avant la mesure. Les concentrations des éléments sont exprimées en mg/l. La somme des cations basiques (Σ+) et la somme des anions (Σ-) sont exprimées en méq/l (valeurs moyenne, médiane, minimum et maximum pour 19 échantillons).

21

Sur l'ensemble des prélèvements, le pH est compris entre 5,76 et 7,61. Il est inférieur à 6,50 dans 9 cas sur 32. Mais il ne descend en dessous de 6,00 qu'une seule fois, pour un échantillon prélevé dans une zone sourceuse située en tête de

bassin (Croix de Fer près du col de Finiels). Les échantillons analysés en juin 2002 ont été comparés à ceux prélevés en septembre 1982 (Tab. XII) et en mai 1986 (Tab. XIII).

Tableau XII - Comparaison entre les caractères chimiques des eaux en septembre 1982 et en juin 2002.

Septembre 1982 Juin 2002 Moyenne Médiane Minimum Maximum Moyenne Médiane Minimum Maximum pH 6,56 6,49 6,23 6,98 6,59 6,56 6,11 6,89 SiO2 4,57 3,82 0,32 (?) 5,99 4,38 3,81 3,34 6,36 Ca2+ 1,51 1,20 0,74 3,59 1,17 1,01 0,60 2,84 Mg2+ 0,47 0,38 0,17 0,87 0,43 0,38 0,20 0,70 K+ 0,31 0,18 0,14 0,61 0,34 0,27 0,14 0,79 Na+ 1,52 1,41 1,25 1,95 1,40 1,36 1,06 2,00 HCO3

- – – – – 4,77 3,70 1,98 12,09 Cl- 1,26 1,20 0,71 1,68 1,11 1,06 0,94 1,49 NO3

- – – – – 0,56 0,47 0,02 1,44

SO42- 2,65 2,34 1,71 4,62 2,21 2,21 1,22 3,50

Les concentrations des éléments sont exprimées en mg/l. – : données manquantes. Nombre d'échantillons considérés : 10 pour le pH (Cougneiral, Quaraze, Rouvières, Jouc, Paul, Sugue – à l'est du bassin des Cloutasses –, prise de Pont-de-Montvert, Peyrou du Rieumalet, Rieumalet, Finiels-téléski) et 8 pour les dosages des différents éléments (ceux-ci n'ont pas été faits dans le cas de la Sugue en 1982 et en 2002 et dans celui du Rieumalet en 2002).

Tableau XIII - Comparaison entre les caractères chimiques des eaux en mai 1986 et en juin 2002.

Mai 1986 Juin 2002 Moyenne Médiane Minimum Maximum Moyenne Médiane Minimum Maximum pH 6,18 6,10 5,40 7,08 6,48 6,44 5,76 7,27 SiO2 4,88 4,39 3,51 7,96 4,36 3,86 2,82 6,36 Ca2+ 1,48 1,24 0,72 3,08 1,21 0,99 0,60 2,84 Mg2+ 0,44 0,46 0,12 0,74 0,40 0,34 0,19 0,70 K+ 0,31 0,26 0,08 0,71 0,29 0,20 0,14 0,79 Na+ 1,42 1,32 1,06 2,18 1,33 1,23 0,97 2,00 HCO3

- – – – – 4,70 3,12 1,37 12,21 Cl- 1,14 1,00 0,78 1,62 1,06 1,01 0,78 1,49 NO3

- – – – – 0,56 0,63 0,02 1,44 SO4

2- 2,64 2,70 1,50 3,17 2,26 2,22 1,16 3,73 Les concentrations des éléments sont exprimées en mg/l. – : données manquantes. Nombre d'échantillons considérés : 10 pour le pH (Latte, Cloutasses, Cougneiral, Quaraze, Rouvières, Jouc, Paul, Sugue, Viala, Peyrou du Rieumalet, Grésilière, Finiels-téléski, Croix-de-Fer) et 9 pour les dosages des différents éléments (les eaux du ruisseau de la Sugue n'ont pas été analysées en 2002).

En ce qui concerne les pH, la comparaison entre les séries de septembre 1982 et juin 2002 ne fait apparaître aucune différence manifeste. Les pH diffèrent sensiblement entre mai 1986 et juin 2002, mais les différences sont de l'ordre de

grandeur des différences attendues entre les mesures effectuées selon le protocole utilisé en 2002 (matériel Radiometer, petit godet, très faible agitation avant la mesure) et celui qui était suivi en 1986 (électrode Bioblock, utilisation

22

d'un agitateur magnétique pendant la mesure). Les différences les plus sensibles entre la série de juin 2002 et les deux séries antérieures portent sur le calcium et le sulfate. Ces écarts peuvent être dus à une évolution sur le long terme, à des fluctuations liées aux conditions pluviométriques avant les prélèvements et/ou aux analyses elles-mêmes. À cet égard, le tableau XIV montre que, pour le ruisseau des Cloutasses,

les concentrations du calcium et du sulfate subissent des fluctuations importantes d'une année à l'autre, mais il ne met pas en évidence d'évolution sur le long terme ou de problème analytique. En 1986, P. DURAND et al. (1992) ont du reste mesuré des concentrations relati-vement fortes de calcium et de sulfate à la suite de l'étiage particulièrement sévère de l'automne 1985 et de l'enneigement très abondant de l'hiver 1986.

Tableau XIV - Concentrations (en mg/l) du calcium et du sulfate dans les eaux du ruisseau des

loutasses en septembre 1986, septembre 1999, septembre 2000 et septembre 2002. C 29 septembre 1986 * 30 septembre 1999 ¤ 20 septembre 2000 ¤ 2 septembre 2002 # pH (6,00) 6,23 6,32 6,28 Ca2+ 1,30 1,15 1,25 ° 1,35 SO4

2+ 2,95 2,70 3,94 ° 2,63 * : Laboratoire de Géochimie Organique d'Orléans (pH mesuré avec une électrode Bioblock, avec agitation pendant la mesure). ¤ : Centre de Géomorphologie du CNRS à Caen. # : Service Central d'Analyse du CNRS à Vernaison. ° : concentrations maximales pour 3 prélèvements effectués en septembre 2000.

VI - BILANS HYDROCHIMIQUES

"ENTRÉES - SORTIES" Les tableaux XV à XVIII fournissent, à titre d'exemples, les bilans "entrées - sorties" des bassins versants de la Latte et des Urfruits pour les années 2000-01 à 2001-02. Les entrées annuelles d'éléments minéraux sur les bassins versants ont été déterminées à partir des concentrations moyennes annuelles (moyennes pondérées par les précipitations) dans les eaux de pluie recueillies par les collecteurs : La Vialasse pour le bassin de la Latte ; La Vialasse et Jouc pour celui des Urfruits. Les calculs s'appuient en outre sur les relations établies sur la période 1989-1994 entre les concentrations à la station de la Vialasse et celles aux postes de la Latte et de la Sapine. Les exportations en solution ont été estimées à partir des équations des droites de régression annuelles entre les concentrations et les débits. Cette approche n'est pas idéale (C. DUPRAZ et al., 1984 ; C. MARTIN, 1987), mais elle est certainement parmi les plus fiables possibles compte tenu de l'échantillonnage réalisé. Pour le ruisseau de la Latte, dont la station hydrométrique est difficile d'accès, très peu

d'échantillons ont été prélevés en crue. Les régressions utilisées ont donc été établies sur l'en-semble de la période d'observation 2000-2002. De plus, les données correspondant à de très faibles débits (< 4 l/s) n'ont pas été prises en considération. Pour l'Alignon aux Urfruits, les équations ont été déterminées pour chaque année. Les déficits d'écoulements trouvés pour le bassin versant de l'Alignon en amont des Ur-fruits, sont faibles, en particulier en 2000-2001, par comparaison avec ceux du bassin de la Latte. À ce sujet, sur l'ensemble des deux années de suivi, et sans tenir compte du rôle de la végétation dans le piégeage des dépôts "secs" (pluviolessivats), les exportations du chlorure apparaissent sensiblement supérieures aux apports avec les eaux de pluie pour le bassin de l'Alignon, alors qu'elles leur sont inférieures pour le bassin de la Latte (situation habituelle sur la période 1981-97 – C. MARTIN et J.F. DIDON-LESCOT, 2003). Le chlorure n'étant pas un élé-ment fortement retenu dans les bassins versants, le déficit d'écoulement pourrait être sous-estimé dans le premier cas, et surestimé dans le second. Quoi qu'il en soit, le bassin de l'Alignon en amont des Urfruits manifeste malgré tout un compor-tement hydrochimique assez proche de celui mis en évidence sur les petits bassins versants (Latte, Sapine, Cloutasses). Les années sèches sont favo-rables à l'accumulation nette de certains éléments

23

T

ableau XV - Bilan hydrochimique "entrées - sorties" du bassin versant de la Latte en 2000-01.

P et L SiO2 Ca2+ Mg2+ K+ Na+ NH4+ HCO3

- Cl- NO3- SO4

2-

Entrées 2715 0,00 1,930 0,280 0,345 1,319 0,815 – 2,350 3,544 5,820 Sorties 1916 6,850 2,423 0,694 0,696 1,670 <0,07 2,691 2,621 1,478 7,902 e - s 799 - 6,85 - 0,49 - 0,41 - 0,35 - 0,35 >+0,75 – - 0,27 + 2,07 - 2,08 P : précipitations (mm). L : lame d'eau écoulée (mm). Pour les exportations en solution, entrées (e) et sorties (s) sont exprimées en t/km2. – : données manquantes.

T

ableau XVI - Bilan hydrochimique "entrées - sorties" du bassin versant de la Latte en 2001-02.

P et L SiO2 Ca2+ Mg2+ K+ Na+ NH4+ HCO3

- Cl- NO3- SO4

2-

Entrées 1759 0,126 2,012 0,290 0,372 1,182 0,718 2,201 1,935 2,094 2,902 Sorties 916 3,199 1,237 0,402 0,270 0,843 < 0,04 1,660 1,029 0,809 3,601 e - s 843 - 3,07 + 0,78 - 0,11 + 0,10 + 0,34 >+0,68 + 0,54 + 0,91 + 1,29 - 0,70 P : précipitations (mm). L : lame d'eau écoulée (mm). Pour les exportations en solution, entrées (e) et sorties (s) sont exprimées en t/km2.

Tableau XVII - Bilan hydrochimique "entrées - sorties" du bassin versant de l'Alignon aux Urfruits en

000-01. 2 P et L SiO2 Ca2+ Mg2+ K+ Na+ NH4

+ HCO3- Cl- NO3

- SO42-

Entrées 2588 0,00 1,69 0,25 0,35 1,16 0,65 – 2,06 2,67 5,19 Sorties 2281 7,35 2,91 0,90 0,60 2,74 0,01 5,94 2,78 2,29 6,21 e - s 307 - 7,35 - 1,22 - 0,65 - 0,25 - 1,57 + 0,64 – - 0,72 + 0,38 -1,02 P : précipitations (mm). L : lame d'eau écoulée (mm). Pour les exportations en solution, entrées (e) et sorties (s) sont exprimées en t/km2. – : données manquantes.

Tableau XVIII - Bilan hydrochimique "entrées - sorties" du bassin versant de l'Alignon aux Urfruits en

001-02. 2 P et L SiO2 Ca2+ Mg2+ K+ Na+ NH4

+ HCO3- Cl- NO3

- SO42-

Entrées 1548 0,12 1,60 0,23 0,36 0,93 0,54 2,57 1,51 2,94 3,77 Sorties 1010 3,35 1,33 0,38 0,45 1,21 0,07 3,34 1,33 1,15 2,61 e - s 538 - 3,22 + 0,27 - 0,15 - 0,10 - 0,29 + 0,47 - 0,76 + 0,18 + 1,79 + 1,15

P : précipitations (mm). L : lame d'eau écoulée (mm). Pour les exportations en solution, entrées (e) et sorties (s) sont exprimées en t/km2.

minéraux, notamment du calcium. Lors des années humides, les entrées d'ammonium et de nitrate restent supérieures aux sorties. Le bassin versant de la Latte a subi, de 1987 à 1989, sur plus de 80 % de sa superficie, une coupe à blanc de son couvert d'épicéas. Cette coupe a été suivie par une replantation en résineux. Pour ce bassin, nous avons comparé les exportations en solutions effectuées en 2000-01

et 2001-02, avec les valeurs calculées à partir des régressions linéaires entre les flux sortants et les lames d'eau écoulées sur la période 1981-87, antérieure à la coupe des épicéas (Tab. XIX et XX). Hormis pour le sulfate, les coefficients de corrélations (r) dépassent 0,80. Ils sont compris entre 0,59 (sulfate) et 0,92 (magnésium). La relation utilisée pour le nitrate est fondée sur deux années d'observation seulement.

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Tableau XIX - Comparaison des exportations en solution (t/km2) du bassin de la Latte en 2000-01 avec les valeurs calculées à l'aide des régressions, entre les exportations et les lames d'eau écoulées, établies sur la période 1981-87. L (mm) SiO2 Ca2+ Mg2+ K+ Na+ Cl- NO3

- SO42-

Sorties "mesurées" 1916 6,85 2,42 0,69 0,70 1,67 2,62 1,48 7,90 Valeurs calculées 5,31 2,30 0,90 0,63 2,23 2,29 4,39 6,59

L : lame d'eau écoulée.

Tableau XX - Comparaison des exportations en solution (t/km2) du bassin de la Latte en 2001-02 avec les valeurs calculées à l'aide des régressions, entre les exportations et les lames d'eau écoulées, établies sur la période 1981-87. L (mm) SiO2 Ca2+ Mg2+ K+ Na+ Cl- NO3

- SO42-

Sorties "mesurées" 916 3,20 1,24 0,40 0,27 0,84 1,03 0,81 3,60 Valeurs calculées 2,86 1,41 0,52 0,23 1,30 1,69 0,13 4,33

L : lame d'eau écoulée.

Les tableaux XIX et XX, confirment que, sur le plan hydrochimique, le fonctionnement actuel du bassin versant de la Latte diffère assez peu de celui observé avant la coupe des épicéas (P. DURAND, 1989). Les exportations de cations basiques ne sont plus stimulées, comme dans les années qui ont suivi la coupe, par la lixiviation de grandes quantités de nitrate (J.F. DIDON-LESCOT, 1996 ; C. MARTIN et J.F. DIDON-LESCOT, 2003). En ce qui concerne cet élément, le tableau XXI laisse même supposer que les sorties ont diminué par rapport à la situation avant la coupe, alors que les épicéas étaient en phase de dépérissement. L'interprétation doit cependant rester prudente, car l'équation four-nissant les "valeurs calculées" des sorties de nitrate repose sur deux années de suivi seulement. VII - CONCLUSION Sauf dans les bassins versant renfermant des roches sédimentaires, les eaux des ruisseaux du bassin du haut Tarn sont très faiblement

minéralisées. Elles sont modérément acides (pH supérieures à 6,0 et même le plus souvent à 6,5) et aucune acidification n'est décelable depuis 1982 ou 1986. Les entrées d'éléments minéraux atmos-phériques mesurées en solution dans les eaux de pluie sur la période 1999-2002, ne montrent pas de modification nette par rapport aux obser-vations plus anciennes. Il semblerait cependant que les apports de nitrate aient augmenté. Une attention particulière mériterait d'être portée à ce problème. Les poussières sahariennes participent aux entrées d'éléments minéraux atmosphériques. En apportant de la calcite et de la dolomie, elles fournissent des quantités de calcium et de magnésium qui ne sont pas totalement prises en compte par les analyses chimiques des eaux de pluie. Ces quantités sont en elles-mêmes modes-tes, mais elles ne sont pas négligeables au regard des bilans hydrochimiques "entrées - sorties". Elles contribuent, en tout cas, en jouant sur le complexe adsorbant des sols, à maintenir le pH des eaux près de la neutralité.

Remerciements : Les recherches ont été menées dans le cadre d'une convention avec le Parc national des Cévennes pour une étude intégrée du bassin versant du Haut-Tarn appliquée à la gestion des ressources en eau et des fonctionnements hydrobiologiques. Cette convention a été financée par l'Agence de l'Eau Adour-Garonne et par la DIREN Languedoc-Roussillon. Une partie des analyses d'eau a été confiée au Centre de Géomorphologie du CNRS à Caen (Anne-Véronique WALTER et Jacques QUILLARD) et à l'unité de Biogéochimie Marine - TAO/Laboratoire de Géologie de l'ENS à Montrouge (Nicole CATEL). Marie-Dominique LOŸE-PILOT (ENS Paris) s'est chargée des

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observations sur les poussières sahariennes. Nous lui sommes également reconnaissants de sa lecture critique du manuscrit. RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES AVILA A., QUERALT-MITJANS I. et ALA-

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ANALYSE DIRECTE DES CRUES EN VUE D'UNE MEILLEURE COMPRÉHENSION DE LA RÉPONSE HYDROLOGIQUE

DES PETITS BASSINS VERSANTS TORRENTIELS

Benjamin GRAFF (1), Maurice MEUNIER (2), Jacques LAVABRE (1) et Didier RICHARD (2) (1) : Cemagref, Le Tholonet, B.P. 31, 13612 AIX-EN-PROVENCE cedex 01. Mél : Benjamin.Graff@aix.cemagref.fr . (2) : Cemagref, Domaine Universitaire, B.P. 76, 38402 SAINT-MARTIN-D'HÈRES cedex 01. RÉSUMÉ : L'estimation des débits et des volumes de crues sur les petits bassins versants torrentiels souffre de nombreuses indéterminations. Le manque de données pluie-débit explique cette mécon-naissance. À partir de séries de données collectées sur six petits bassins versants torrentiels, nous avons cherché à mieux comprendre les fonctionnements hydrologiques et les réponses en crue de ces bassins versants. Pour cela, nous avons conduit une analyse systématique des couples averse-crue. Une telle analyse permet de dégager les principales caractéristiques hydrologiques des bassins. Quatre phénomènes élémentaires permettent de représenter le déroulement des crues et la réponse hydro-logique des bassins. Ces caractéristiques ont pu être incorporées dans un modèle pluie-débit conceptuel et global. Ce modèle est représentatif de la réponse hydrologique des bassins lors des crues. Il pourrait être utile en prédétermination des débits, par exemple en association avec un générateur stochastique de pluie. MOTS-CLÉS : bassins versants torrentiels, analyse directe des crues, modèle conceptuel pluie-débit. ABSTRACT : Peak discharge and flood volume estimations on small torrential basins suffer from numerous uncertainties. This misunderstanding is mainly due to a lack of rainfall-runoff data. Using rainfall-runoff data monitored on six small torrential basins, we have tried to better understand their hydrological responses during floods. That is why we have done an analysis of flood events. Such an analysis allows us to point out the main hydrological characteristics of the basins. Four basic phenomena allow us to characterize the hydrological responses of the basins. These characteristics have been used to develop a conceptual rainfall-runoff model. This model is representative of the hydrological response of the basins. In association for example with a stochastic rainfall generator, this modeling tool could be useful for flood predictions. KEY-WORDS : torrential catchments, flood analysis, conceptual rainfall-runoff model. I - INTRODUCTION ET

PROBLÉMATIQUE Contrairement aux grands bassins versants d'une centaine de km2, on n'observe pas de lissage des variabilités et des hétérogénéités locales sur les petits bassins versants de 1 à 10 km2 (B. AMBROISE, 1999). L'effet de moyenne des processus hydrologiques à l'origine des crues sur les grands bassins diminue sur les petits bassins versants. Les crues des petits bassins versants sont davantage liées à des phénomènes hydrologiques "purs", notamment les crues les plus fortes. De plus, la variabilité des mécanismes à l'origine des fortes crues est généralement faible (J.P. JORDAN, 1994).

Par ailleurs, l'effet de moyenne des processus mélange à l'exutoire des grands bassins versants toutes les réponses disparates des éléments de surface de petite échelle. Ce brouillage empêche la lecture du fonctionnement des grands bassins versants directement à partir des données disponibles (M. KIRKBY, 1993). L'interprétation physique de la réponse hydro-logique mesurée à l'exutoire d'un grand bassin versant est donc souvent insatisfaisante. À l'inverse, sur les petits bassins versants, les caractéristiques de la réponse hydrologique sont plus facilement détectables à partir de l'analyse des données et interprétables en fonction de caractéristiques physiques simples.

Études de Géographie Physique, n° XXXII, 2005

28

Dans le cadre de cette étude, nous nous intéressons aux petits bassins versants torrentiels. Ces bassins se situent en montagne et sont caractérisés essentiellement par des surfaces réduites et des pentes moyennes fortes. Les écoulements y sont fréquemment constitués d'un mélange d'eau et de sédiments (R. WEIN-GARTNER et al., 2003). La rareté des informations disponibles sur ces bassins versants est à l'origine d'une mécon-naissance de leurs fonctionnements hydrolo-giques. Cette rareté s'explique par la difficulté d'effectuer des mesures sur le terrain, particuliè-rement sur des zones situées en altitude (J. BANDYOPADHYAY et al., 1997 ; M. SPREA-FICO, 2002). Cependant les enjeux humains et matériels justifient qu'on s'intéresse aux crues soudaines et brutales des petits bassins versants torrentiels (I. BRAUD et al., 1999 ; M. JACOB et P. JORDAN, 2001). Nous nous proposons donc ici d'identifier le fonctionnement hydrologique des petits bassins versants torrentiels au moyen d'une analyse directe des hydrogrammes de crue. Cette analyse a été réalisée sur six petits bassins versants suisses et français. Nous présenterons la méthodologie utilisée et les résultats obtenus. Parmi eux, on notera la mise en place d'un modèle pluie-débit conceptuel simple qui pourrait

être utilisé en prédétermination des débits de crue, notamment en association avec un générateur stochastique de pluie. II - CONTEXTE HYDROLOGIQUE DES

PETITS BASSINS VERSANTS TORRENTIELS

1 ) Données pluie-débit Notre échantillon de petits bassins versants torrentiels est réduit (Tab. I). Il présente néan-moins des situations hydrologiques contrastées, avec des bassins versants sub-méditerranéens (D. RICHARD et N. MATHYS, 1999), alpins (D. RICKERMANN, 1997) et tropicaux (J. GUIS-CAFRE et al., 1975 ; M. MEUNIER, 1999). Ces six bassins versants sont instrumentés et suivis depuis plusieurs années. Nous disposons de chroniques de pluie et de débit d'une durée comprise entre 10 et 15 ans. Dans le cadre de cette étude, seules sont retenues les vingt plus fortes crues de chaque bassin. Elles seront analysées au pas de temps de 10 minutes, qui est le plus petit pas de temps commun aux six séries de données pluie-débit.

Tableau I - Principales caractéristiques des bassins versants étudiés.

Site

Bassins

Surface (km2)

Géologie

Surfaces couvertes

de forêt (%)

Indice de compacité de GRAVELIUS

Gestionnaire

Draix (France) Laval

Brusquet 0,86 1,08

Marnes noires

23 87

1,25 1,17

Cemagref, Grenoble

Vallée de l'Alptal (Suisse)

Erlenbach Lumpenenbach

0,64 0,93

Flysch 39 19

1,72 1,39

WSL, Birmensdorf

Martinique (Antilles françaises)

Alma Lézarde

4,31 12,99

Bedrock volcanique

Forêt, broussailles et plantations de bananes

1,14 1,15

DIREN, Martinique

2 ) Principales caractéristiques hydrologiques

des bassins versants Le bassin versant du Laval est caractérisé par des sols peu développés et dénudés à 80 % environ. Les crues les plus fortes sont surtout provoquées par les orages brefs et intenses de fin d'été. Le bassin du Laval est le seul des bassins de notre échantillon à posséder un fonction-nement presque exclusivement hortonien lors des crues extrêmes (D. RICHARD et N. MATHYS,

1999). Ce type de fonctionnement se retrouve plus généralement sur les petits bassins versants dénudés en zone de badlands lors des crues les plus fortes (F. GALLART et al., 1997). Le bassin versant voisin du Brusquet est végétalisé à près de 90 %. Il possède un fonctionnement hydrologique plus complexe que le Laval. En effet, on y enregistre des crues liées à plusieurs types de pluie : - Des orages brefs et intenses.

29

- Une succession d'averses de plus en plus intenses, la première contribuant à la saturation progressive du bassin (N. MATHYS et al., 1999).

- Des pluies longues et saturantes au cours desquelles une averse plus intense est enregistrée. Cela correspond à des pluies d'environ 100 mm en 48 heures.

La différence essentielle entre les bassins du Laval et du Brusquet vient du pourcentage de couverture végétale. Ces deux bassins sont par ailleurs assez similaires. La couverture végétale explique que les débits de pointe de crue entre les deux bassins évoluent dans un rapport de 1 à 5 et les volumes écoulés en crue dans un rapport de 1 à 2 (C. COSANDEY et al., 2002). Les principales crues des bassins de la vallée de l'Alptal sont enregistrées lors d'orages estivaux de début d'été, d'environ 30 à 40 mm en une heure. Les sols de ces bassins sont épais. Les crues ont lieu lorsque le bassin est déjà partiellement saturé par la fonte des neiges ou par les pluies antérieures. Les montées de crues sont rapides et les décrues soutenues. Les apports à l'écoulement en décrue représentent une part importante de la lame écoulée totale. Le WSL de Birmensdorf, gestionnaire du bassin, indique des proportions de zones humides de 60 % sur l'Erlenbach et de 25 % sur le Lumpenenbach. Le pourcentage de zones humides est la caracté-ristique principale permettant de distinguer les deux bassins versants. Enfin, les sols volcaniques de la Martinique étant épais et filtrants, la rétention est forte et les débits sont soutenus durant les périodes sèches. Les plus fortes crues des bassins martiniquais sont dues à de forts abats pluvieux d'environ 100 mm en une à deux heures, pour des pluies antérieures avoisinant ou dépassant 300 mm en 15 jours. Ces fortes pluies sont enregistrées durant la saison d'hivernage, de juin à novembre (J. GUISCAFRE et al., 1975). La surface est cette fois le paramètre qui permet de distinguer les deux bassins versants de l'Alma et de la Lézarde. Notre échantillon de bassins est donc constitué de trois groupes de deux bassins versants. Les deux bassins versants de chaque paire sont voisins et présentent des caracté-ristiques physiques et climatiques similaires. Au sein de chaque groupe, seule une caractéristique physique diffère significativement entre les deux

bassins et permet de les distinguer : la couverture végétale à Draix ; le pourcentage de zones humides dans la Vallée de l'Alptal ; la superficie du bassin à la Martinique. Entre les groupes de bassins, les caractéristiques climatologiques, géologiques et pédologiques sont très contrastées. III - MÉTHODOLOGIE 1 ) Principe de l'analyse directe des crues Les écoulements des petits bassins versants torrentiels sont caractérisés par des seuils de déclenchement aussi bien en intensité de pluie qu'en cumul. Le seuil fonction de l'intensité de la pluie détermine la vitesse de la réponse du bassin (R. WEINGARTNER et al., 2003) ; le seuil fonction du cumul de pluie détermine le début de l'écoulement (A.L. BORGES, 1993). Ces seuils varient d'un bassin versant à l'autre en fonction de caractéristiques physiques propres à chaque bassin. D'une crue à l'autre, ils sont fonction des caractéristiques de la pluie et de l'état de saturation initial du bassin (C. COSANDEY, 1999). Lorsque l'écoulement démarre, la réponse du bassin aux pluies intenses est rapide et pointue. La dynamique des crues des petits bassins versants torrentiels est également marquée par des décalages temporels courts entre la pluie et le débit (B. GRAFF et al., 2004). En ce qui concerne la nature des écoulements, trois contributions principales à l'écoulement sont généralement observées : un écoulement de base, un écoulement lent et retardé par rapport à la pluie et un écoulement rapide (S. HOEG et al., 2000 ; M.R. PUTTY et R. PRASAD, 2000 ; F. NAEF et al., 2002 ; S. SCHERRER et F. NAEF, 2003). Les auteurs interprètent souvent l'écoulement lent comme un écoulement hypodermique et l'écoulement rapide comme un écoulement sur surfaces saturées ou comme un écoulement hortonien. Sur un petit bassin versant de caracté-ristiques physiques assez homogènes, on peut penser que le ou les processus hydrologiques principaux de la formation du ruissellement sont suffisamment dominants pour qu'ils soient reconnaissables sur les enregistrements de débits. Notre approche consiste donc à pratiquer une reconnaissance des mécanismes de la formation

30

des crues par une lecture des couples averse-crue. Cette phase de reconnaissance des mécanismes constitue l'analyse directe des crues (Fig. 1). L'analyse directe des crues s'appuie sur trois graphiques. Sur chacun des graphiques, on reconnaît les mécanismes hydrologiques du déroulement de la crue. À partir de l'analyse des graphiques, on quantifie les phénomènes explicatifs qui permettent de tenir compte de ces mécanismes : - Évolution du volume écoulé total en fonction du

cumul de pluie [Fig. 1(a)] : l'écoulement ne démarre pas avec la pluie. Il faut un phénomène explicatif pour en rendre compte. Il s'agit des pertes initiales. Ces pertes initiales sont estimées en identifiant le début de l'écoulement sur le graphique (a).

- Évolution comparée des cumuls de pluie et du volume écoulé en fonction du temps [Fig. 1(b)] : une fois que l'écoulement a démarré, la lame écoulée et le cumul de pluie sont proportionnels. La pente des débits est inférieure à celle des pluies. Un coefficient d'écoulement permet de les relier. Lorsque la pluie s'arrête, la lame écoulée augmente encore. Il faut en effet tenir compte d'un apport à l'écoulement total sous la forme d'un écoulement différé dans le temps.

- Hyétogramme et hydrogramme de la crue

[Fig. 1(c)] : ils permettent d'apprécier la structure fine de la pluie et la réponse du bassin en fonction du temps. À partir du graphique (c), on observe et on quantifie le décalage temporel entre la pluie et le débit.

0

20

40

60

80

100

0 20 40 60 80 100Cumul de pluie (mm)

Lam

e éc

oulé

e cu

mul

ée (m

m)

Pertes initiales avant le début de

l'écoulement

(a) Lame écoulée cumulée en fonction du total de pluie cumulée

0

20

40

60

80

100

0 10 20 30 40 50 60Pas de temps de 10 min

Lam

e (m

m)

Pluie Lame écoulée

Pertes initiales avant le début de

l'écoulement

Contribution rapide à l'écoulement

Contribution lente et différée à l'écoulement

(b) Lames cumulées en fonction du temps (1) 0

50

100

150

200

250

30017:25 19:25 21:25 23:25 1:25

Inte

nsité

de

plui

e (m

m/h

)

0

50000

100000

150000

200000

250000

Durée (heures)

Déb

it (l/

s)Décalage temporel entre la pluie et le débit

(c) Couple averse-crue

Figure 1 - Crue du 20 septembre 1983 sur le bassin versant de la Lézarde (Martinique).

(1) : La lame écoulée représentée sur les graphiques (a) et (b) ne prend pas en compte le débit de base, pris égal au débit initial de chaque crue.

2 ) Les phénomènes élémentaires Les caractéristiques des écoulements peuvent être traduites sous la forme d'hypothèses de fonctionnement des bassins versants. Ces hypothèses de fonctionnement seront appelées phénomènes élémentaires. Les phénomènes élémentaires considérés sont indépendants :

- Pour représenter la contribution rapide aux

écoulements : un ruissellement direct plus ou moins proportionnel aux pluies. On le traduit par un coefficient d'écoulement constant, noté X1 (Fig. 2).

- Pour représenter le seuil de déclenchement de

l'écoulement : des pertes initiales avant le début

31

de l'écoulement. Une fois les pertes initiales satisfaites, toute la pluie s'écoule. On traduit les

pertes initiales par un phénomène élémentaire noté X2 (Fig. 3).

0

5

10

15

20

25

301 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Plui

e (m

m)

0

5

10

15

20

25

30

Durée (pas de temps)

Lam

e éc

oulé

e (m

m)

X1 = 100 % X1 = 60 %

0

5

10

15

20

25

301 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Plui

e (m

m)

0

5

10

15

20

25

30

Durée (pas de temps)

Lam

e éc

oulé

e (m

m)

Figure 2 - Coefficient d'écoulement constant

(phénomène élémentaire X1).

Figure 3 - Pertes initiales

(phénomène élémentaire X2). - Pour représenter la contribution lente aux

débits : un écoulement différé dans le temps. On traduit cet écoulement par la vidange linéaire d'un réservoir. Le paramètre de la vidange du réservoir est noté X3. Ce réservoir collecte toute la pluie ne participant pas à l'écoulement rapide (y compris les éventuelles pertes initiales). Au début de l'épisode pluvieux, le réservoir est vide. L'équation de bilan du réservoir peut s'exprimer de la façon suivante (C. MICHEL et al., 2003) :

( ) ( ) i1-ii PX11SX31S ×−+×−= où Si (mm) est le niveau du réservoir et Pi (mm) la pluie brute du pas de temps i.

- Pour tenir compte de la dynamique des crues :

un transfert de la pluie nette dans le bassin versant. Pour les petits bassins versants possédant des réponses rapides et intenses, il

n'est pas indispensable d'utiliser une fonction de transfert très élaborée. La fonction de production joue un rôle très important dans ce cas (P. RIBSTEIN, 1992). Nous choisissons donc de traduire le transfert sous la forme d'un hydrogramme unitaire (HU) symétrique défini uniquement par son temps de montée. Le temps de montée de l'HU est noté X4. L'HU retenu est celui proposé par EDIJATNO et C. MICHEL (1989) dans le modèle conceptuel global GR3H (Fig. 4). L'expression analytique du HU est la suivante :

( )

0q(t)X4,.2tpour2.X4

t2.X43q(t)2.X4,tX4pour

2.X43.tq(t)X4,t0pour

3

2

3

2

=>

−=≤<

=≤≤

X4 2.X4

1,5/X4

Figure 4 - Hydrogramme unitaire.

D'autres choix seraient possibles pour traduire les phénomènes élémentaires de la réponse hydrologique des petits bassins versants

torrentiels sous la forme de modèles théoriques. Les choix que nous avons faits sont volontai-rement simples.

Écoulement total Pertes initiales

32

3 ) Critères de qualité utilisés Par rapport à notre objectif de com-préhension de la réponse hydrologique des petits bassins versants torrentiels lors des crues, nous cherchons en premier lieu à reproduire le volume de la crue et le débit de pointe. Par conséquent, pour définir l'intérêt de tenir compte d'un phénomène élémentaire, nous utilisons dans un premier temps les critères simples suivants :

obsQXcalQX

100Pointe ×=

obsQcalQ

100Volume ×=

Ces deux critères permettent de comparer les débits de pointe (QX) ainsi que les débits moyens ( Q ), observés et calculés. Ensuite, pour estimer la qualité de la reproduction temporelle d'un couple averse-crue, nous avons utilisé le critère de NASH, mesurant la part de la variance des mesures expliquée par un modèle :

( ) ( )( )

( )( )

−

−−×=

∑

∑

=

=n

1i

2

calobs

n

1i

2calobs

QiQ

iQiQ1100Nash(%)

où Qobs(i), Qcal(i) et n représentent respectivement les débits observés et calculés à l'instant i, ainsi que le nombre de pas de temps de la crue observée.

Ces trois critères tendent vers 100 % pour une adéquation parfaite entre la crue observée et la crue calculée. Des valeurs comprises entre 80 et 120 % pour Pointe et Volume ou entre 80 et 100 % pour NASH seront considérées comme étant représentatives d'une qualité acceptable. IV - ANALYSE DIRECTE DES COUPLES

AVERSE-CRUE Plusieurs étapes successives permettent d'identifier le nombre de phénomènes élémen-taires capable de représenter le fonctionnement hydrologique des petits bassins versants torrentiels. 1 ) Étape n° 1 : un phénomène élémentaire Dans certains cas, le fonctionnement hydrologique peut être représenté par un seul phénomène élémentaire. L'interprétation est alors très simple. Les deux premiers phénomènes sont : - Des pertes initiales puis tout s'écoule : pour la

crue du 20 septembre 1983 sur la Lézarde, les pertes initiales sont évaluées à 50 mm [Fig. 5(a)]. Les critères de Volume et de Pointe valent respectivement 92,5 % et 186 %.

- Un coefficient d'écoulement constant tout au long de la crue sans pertes initiales : le coefficient d'écoulement est évalué de telle manière que le critère de Volume soit égal à 100 %. Pour la crue de la figure 5(b), le coefficient d'écoulement vaut 52 %. Les critères de Volume et de Pointe valent respectivement 100 % et 156,3 %.

0

20

40

60

80

100

120

0 10 20 30 40 50 60 70Pas de temps de 10 min

Lam

e (m

m)

Pluie Lame écoulée observée Lame écoulée calculée

(a) X2 = 50 mm

0

20

40

60

80

100

120

0 10 20 30 40 50 60 70Pas de temps de 10 min

Lam

e (m

m)

Pluie Lame écoulée observée Lame écoulée calculée

(b) X1 = 52 % Figure 5 - Crue du 20 septembre 1983 sur le bassin de la Lézarde reconstituée

avec un seul phénomène élémentaire.

33

De ces deux façons, le volume écoulé est estimé correctement mais le débit de pointe est surestimé. Au tableau II, on met en évidence que sur ce bassin et, plus généralement, sur les cinq autres bassins, l'utilisation d'un phénomène élémentaire ne fournit des résultats satisfaisants simultanément suivant les critères de Pointe et de

Volume que dans de très rares cas, sauf avec X1 sur les bassins versants du Laval (9 crues sur 20) et de l'Alma (15 crues sur 20). On constate également que l'utilisation d'un coefficient d'écoulement constant donne de meilleurs résultats que l'utilisation de pertes initiales, notamment sur le bassin de l'Alma.

Tableau II - Reconstitution des crues avec un phénomène élémentaire.

Nombre de crues où un phénomène élémentaire est insuffisant

Site

Bassins

X1 X2

Draix (France) Laval Brusquet

11/20 16/20

14/20 20/20

Vallée de l'Alptal (Suisse)

Erlenbach Lumpenenbach

18/20 20/20

20/20 20/20

Martinique Alma

Lézarde 5/20

15/20 19/20 19/20

Un phénomène élémentaire est considéré comme étant insuffisant pour reconstituer une crue, dès lors que l'un des critères de Pointe et de Volume ou bien les deux ne sont pas de bonne qualité.

De manière générale, il faut donc interpréter avec au minimum deux phénomènes élémentaires la réponse hydrologique des petits bassins versants torrentiels. 2 ) Étape n° 2 : deux phénomènes élémentaires À cette étape, on considère des pertes initiales associées à un coefficient d'écoulement constant. Dans le cas de la crue du 8 septembre 1994 sur le Laval, les pertes initiales sont

estimées à 12,5 mm par lecture de la figure 6(a). Une fois que ces pertes initiales sont satisfaites, on écoule sans transfert une quantité de pluie, égale au volume total de pluie moins les pertes initiales, que multiplie un coefficient d'écou-lement constant. Le coefficient d'écoulement est évalué de telle manière que le critère de Volume soit égal à 100 %. Dans le cas de la crue de la figure 6(b), le coefficient d'écoulement vaut 65,3 %.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

Cumul de pluie (mm)

Lam

e éc

oulé

e cu

mul

ée (m

m)

Pertes initiales :12,5 mm

(a) Lame écoulée cumulée en fonction du total de pluie cumulée

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

0 10 20 30 40 50Pas de temps de 10 min

Lam

e (m

m)

Pluie Lame écoulée

(b) Lames cumulées en fonction du temps

Figure 6 - Lecture des deux phénomènes élémentaires. La figure 7(a) montre qu'à un décalage temporel près (environ deux pas de temps, soit vingt minutes), le déroulement de l'événement est

parfaitement reproduit avec deux phénomènes élémentaires. En revanche, nous enregistrons une nette surestimation de la lame écoulée maximale.

34

Le critère de Pointe vaut environ 137 %. En conservant la valeur des pertes initiales, il faudrait diminuer le coefficient d'écoulement pour estimer plus précisément le débit de pointe. Dans ces conditions, la qualité de l'estimation du

volume écoulé serait moins bonne. Nous pouvons également diminuer les valeurs des pertes initiales et du coefficient d'écoulement constant afin de tendre vers des valeurs des critères de Volume et de Pointe proches de 100 % (figure 7(b).

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

0 10 20 30 40 50Pas de temps de 10 min

Lam

e (m

m)

Pluie Lame écoulée observée Lame écoulée calculée

(a) X2 = 12,5 mm ; X1 = 65,3 %

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

0 10 20 30 40 50Pas de temps de 10 min

Lam

e (m

m)

Pluie Lame écoulée observée Lame écoulée calculée

(b) X2 = 1,53 mm ; X1 = 48,4 %

Figure 7 - Reconstitution de la crue du 8 septembre 1994 enregistrée sur le bassin du Laval au moyen de deux phénomènes élémentaires.

L'évolution des critères de Pointe et de Volume en fonction des valeurs prises par X1 et X2 est donnée dans le tableau III. On a représenté sur fond gris les valeurs des critères compris entre 80 et 120 %, avec des caractères blancs sur fond gris foncé dans les cas où les deux critères sont simultanément de bonne qualité. L'analyse des résultats de ce tableau met en évidence que : - À X1 fixé, le critère de Pointe ne change pas

quand X2 augmente. X1 sert surtout à reconstituer le débit de pointe lorsqu'on cherche à obtenir les meilleures valeurs des deux critères simultanément.

- Lorsque X1 augmente, il faut diminuer les pertes initiales pour obtenir un critère de Volume de bonne qualité.

Si au lieu de lire les valeurs des phénomènes élémentaires sur les crues, on change d'objectif en décidant de reconstituer au mieux les critères de Pointe et de Volume, alors on déduit du tableau III qu'il existe un couple (X1, X2) pour lequel les deux critères prennent des valeurs voisines de 100 %. Pour cela, X1 doit être compris entre 45 et 50 % ; X2 doit être compris entre 0 et 2,5 mm. Les valeurs optimales de X1 et de X2 sont respectivement 48,4 % et 1,53 mm. Le critère de Pointe vaut alors 99,9 % tandis que le critère de Volume vaut 101,4 %. La crue calculée avec X1 = 48,4 % et X2 =

1,53 mm est présentée à la figure 7(b). La reconstitution du déroulement de l'événement est de moins bonne qualité qu'à la figure 7(a). En outre, ce ne sont plus les valeurs lues directement sur les courbes qui sont utilisées. Néanmoins, avec seulement deux phénomènes élémentaires, le débit de pointe et le volume écoulé sont estimés parfaitement tout en conservant l'allure générale de la crue en fonction du temps. Si on cherche à obtenir simultanément des valeurs acceptables pour les critères de Volume et de Pointe, deux phénomènes élémentaires suffisent pour 75 % des crues du bassin du Laval. Ces deux phénomènes élémentaires conduisent à des sous estimations du volume écoulé pour plus de 75 % des crues sur les cinq autres bassins versants (Tab. IV). Pour le bassin versant de l'Alma, les résultats obtenus sont identiques à ceux du Laval. Si on compare les résultats obtenus avec deux phénomènes élémentaires à ceux obtenus uniquement avec un coefficient d'écoulement constant, il n'y a que sur le bassin du Laval que les résultats sont significativement améliorés entre les étapes 1 et 2 (Tab. II et Tab. IV). Sur le bassin de l'Alma, les résultats sont identiques entre les deux étapes. Sur les autres bassins, des apports supplémentaires à l'écoulement total sont nécessaires.

35

Tableau III - Évolution des critères de Pointe et de Volume en fonction des valeurs de X1 et X2 pour la crue du 8 septembre 1994 sur le Laval.

(a) Critère de Pointe (%) X2 (mm) 0 2,5 5 7,5 10 12,5 15 17,5 20 25 30

10 21,0 21,0 21,0 21,0 21,0 21,0 21,0 21,0 21,0 21,0 21,0 20 42,0 42,0 42,0 42,0 42,0 42,0 42,0 42,0 42,0 42,0 42,0 30 62,8 62,8 62,8 62,8 62,8 62,8 62,8 62,8 62,8 62,8 62,8 40 83,8 83,8 83,8 83,8 83,8 83,8 83,8 83,8 83,8 83,8 83,8 45 94,3 94,3 94,3 94,3 94,3 94,3 94,3 94,3 94,3 94,3 94,3 50 104,7 104,7 104,7 104,7 104,7 104,7 104,7 104,7 104,7 104,7 104,7 55 115,2 115,2 115,2 115,2 115,2 115,2 115,2 115,2 115,2 115,2 115,2 60 125,7 125,7 125,7 125,7 125,7 125,7 125,7 125,7 125,7 125,7 125,7 70 146,6 146,6 146,6 146,6 146,6 146,6 146,6 146,6 146,6 146,6 146,6 80 167,6 167,6 167,6 167,6 167,6 167,6 167,6 167,6 167,6 167,6 99,6 90 188,5 188,5 188,5 188,5 188,5 188,5 188,5 188,5 188,5 188,5 112,0

X1 (mm)

100 209,5 209,5 209,5 209,5 209,5 209,5 209,5 209,5 209,5 209,5 124,5 (b) Critère de Volume (%)

X2 (mm) 0 2,5 5 7,5 10 12,5 15 17,5 20 25 30

10 21,4 21,0 19,0 17,7 16,5 15,3 14,1 12,9 11,6 9,2 6,8 20 42,8 42,0 37,9 35,5 33,0 30,6 28,2 25,7 23,3 18,4 13,5 30 64,2 62,8 56,9 53,2 49,6 45,9 42,2 38,6 34,9 27,6 20,3 40 85,6 83,8 75,8 71,0 66,1 61,2 56,3 51,5 46,6 36,8 27,1 45 96,3 94,3 85,3 79,8 74,3 68,9 63,4 57,9 52,4 41,4 30,5 50 107,0 100,9 94,8 88,7 82,6 76,5 70,4 64,3 58,2 46,0 33,9 55 117,7 111,0 104,3 97,6 90,9 84,2 77,5 70,8 64,1 50,7 37,3 60 128,4 121,0 113,7 106,4 99,1 91,8 84,5 77,2 69,9 55,3 40,6 70 149,7 141,2 132,7 124,2 115,6 107,1 98,6 90,1 81,5 64,5 47,4 80 171,1 161,4 151,6 141,9 132,2 122,4 112,7 102,9 93,2 73,7 54,2 90 192,5 181,6 170,6 159,6 148,7 137,7 126,7 115,8 104,8 82,9 61,0

X1 (mm)

100 213,9 201,7 189,6 177,4 165,2 153,0 140,8 128,6 116,5 92,1 67,7 Tableau IV - Reconstitution des crues avec deux phénomènes élémentaires.

Site

Bassins

Nombre de crues où deux phénomènes élémentaires sont

insuffisants (X1 et X2)

Draix (France) Laval Brusquet

5/20 15/20

Vallée de l'Alptal (Suisse)

Erlenbach Lumpenenbach

18/20 20/20

Martinique Alma

Lézarde 5/20

15/20 Deux phénomènes élémentaires sont considérés comme étant insuffisants pour reconstituer une crue, dès lors que l'un des critères de Pointe et de Volume ou bien les deux ne sont pas de bonne qualité.

3 ) Étape n° 3 : trois phénomènes élémentaires Pour la crue du 8 juillet 1987 sur le bassin de Lumpenenbach, les pertes initiales sont évaluées à 20 mm et le coefficient d'écoulement, une fois que les pertes initiales sont satisfaites, à

82,5 %. Avec deux phénomènes élémentaires, il est possible de modéliser le volume et d'obtenir un critère de Volume de 100 %. Cela conduit à une surestimation de plus de 500 % de la lame écoulée maximale en 10 minutes. Pour modéliser la lame écoulée maximale, avec un critère de

36

Pointe de 100 %, il faut prendre un coefficient d'écoulement de 15,5 %. Le volume modélisé ne

représente alors que 18,8 % du volume écoulé observé (Tab. V et Fig. 8).

Tableau V - Comparaison des résultats obtenus avec deux et trois phénomènes élémentaires pour la crue du 8 juillet 1987 sur le bassin de Lumpenenbach.

X1 et X2 X1, X2 et X3 Pertes initiales (mm) Coefficient d'écoulement (%) Paramètre de vidange

20 82,5

-

20 15,5

-

20 15,5 2,75

Pointe (%) Volume (%)

533 100,1

100,1 18,8

100,5 101,3

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

0 5 10 15 20 25 30 35Pas de temps de 10 min

Lam

e (m

m)

Pluie Lame observéeLame modélisée (Volume) Lame modélisée (Pointe)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

0 5 10 15 20 25 30 35Pas de temps de 10 min

Lam

e (m

m)

Pluie Lame observée Modèle à 3 paramètres

Figure 8 - Reconstitution de la crue du 8 juillet 1987 sur le bassin de Lumpenenbach avec deux

phénomènes élémentaires.

Figure 9 - Reconstitution de la crue du 8 juillet 1987 sur le bassin de Lumpenenbach avec trois

phénomènes élémentaires. Compte tenu de ces observations, nous ajoutons un troisième phénomène élémentaire par rapport à l'étape n°2. Ce phénomène élémentaire représente une contribution lente à l'écoulement. L'objectif est d'améliorer la reconstitution simultanée du volume écoulé et du débit de pointe observé. Outre des pertes initiales et un coefficient d'écoulement constant, nous utilisons maintenant le réservoir présenté au paragra-phe III-2. L'ajout des apports par vidange du réservoir améliore de manière significative la reconsti-tution de la crue (Tab. V et Fig. 9). Le critère de Pointe atteint alors 100,5 % et le critère de Volume 101,3 %. Les valeurs des pertes initiales restent égales à 20 mm et le coefficient d'écou-lement est fixé à 15,5 %. En revanche, le troisième paramètre vaut 2,75 %. Il est obtenu en recherchant les meilleures valeurs de Pointe et de Volume. Une fois que les pertes initiales sont satisfaites, en plus des apports liés au coefficient d'écoulement, on vidange à chaque pas de temps le réservoir de 2,75 % de son contenu.

Sur tous les bassins versants, trois phénomènes élémentaires permettent d'obtenir des valeurs acceptables des critères de Volume et de Pointe dans 100 % des cas. Parfois, la forme de l'hydrogramme est décalée par rapport à l'hydrogramme observé. On peut en déduire la nécessité d'ajouter un quatrième phénomène élémentaire pour tenir compte du transfert dans le bassin versant. Néanmoins, si l'objectif ne concerne que l'obtention de valeurs acceptables des critères de Pointe et de Volume, trois phénomènes élémentaires suffisent. 4 ) Étape n° 4 : quatre phénomènes

élémentaires À cette étape, nous nous intéressons à la reconstitution des hydrogrammes de crue en fonction du temps. Avec trois phénomènes élémentaires dans le cas de la crue du 8 juillet 1987 sur le Lumpenenbach, on obtient l'hydro-gramme calculé de la figure 10. L'allure générale de la crue est conservée. Cependant la montée de crue calculée est brutale ; le débit de pointe

37

calculé est en avance de deux pas de temps par rapport au débit de pointe observé ; le volume autour du débit de pointe calculé est plus faible que le volume autour du débit de pointe observé. a . Hypothèse d'un simple décalage temporel

entre la pluie et le débit Avec un décalage temporel, on ne tiendra pas compte du volume écoulé autour de la pointe de débit. Un décalage temporel ne suffit donc pas à reconstituer une crue similaire à la crue

observée. Plus généralement, un décalage tempo-rel ne suffit pas à reconstituer une crue calculée similaire à la crue observée dans 50 % des cas sur le bassin du Lumpenenbach (Tab. VI). De la même manière que sur le bassin du Lumpenenbach, on constate qu'un décalage temporel ne permet d'obtenir une crue calculée similaire à la crue observée que dans 25 à 50 % des cas sur les autres bassins versants (Tab. VI). Sur le bassin du Laval, un décalage de deux pas de temps convient dans 95 % des cas (Fig. 11).

0

50

100

150

200

25020:00 21:00 22:00 23:00 0:00

Inte

nsité

de

plui

e (m

m/h

)

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

Durée (heures)

Déb

it (l/

s)

Pluie Débit observé Débit calculé

0

50

100

150

2008:50 9:50 10:51 11:50 12:50 13:51 14:50

Inte

nsité

de

plui

e (m

m/h

)

0

2500

5000

7500

10000

12500

15000

Durée (heures)

Déb

it (l/

s)

Pluie Débit observé Débit calculé

Figure 10 - Reconstitution de la crue du 8 juillet 1987 sur le bassin du Lumpenenbach avec trois

phénomènes élémentaires.

Figure 11 - Reconstitution de la crue du 8

septembre 1994 sur le bassin du Laval avec trois phénomènes élémentaires.

Tableau VI - Reconstitution temporelle des crues avec trois phénomènes élémentaires.

Site

Bassins Nombre de crues où un décalage temporel est insuffisant

Draix (France) Laval

Brusquet 1/20

16/20 Vallée de l'Alptal

(Suisse) Erlenbach

Lumpenenbach 14/20 10/20

Martinique Alma

Lézarde 8/20 9/20

Ces résultats indiquent que pour reconstituer le déroulement des crues des petits bassins versants torrentiels en fonction du temps, il faut envisager, dans 50 à 75 % des cas, un transfert plus élaboré qu'un décalage temporel de plusieurs pas de temps. Dans ces conditions, ce ne sont plus seulement les critères de Volume et de Pointe qui sont pris en compte, mais aussi le critère de NASH. b . Utilisation d'un hydrogramme unitaire

(HU) Une fonction de transfert permet de décaler et de répartir dans le temps la pluie nette

calculée. Pour rester cohérent avec notre volonté de représenter le déroulement des crues de manière simple, la fonction de transfert se réduit à un HU défini par un seul paramètre, son temps de montée au pic (Fig. 4). Outre une meilleure prise en compte des mécanismes de transfert au sein du bassin versant, cet HU permet aussi d'évaluer les caractéristiques de la dynamique des crues grâce aux valeurs prises par le temps de montée. L'ajout d'un HU permet d'obtenir simulta-nément des valeurs acceptables pour les trois critères de qualité dans plus de 75 % des cas sur cinq des sept bassins versants étudiés (Tab. VII).

38

Dans le cas des bassins versants de Draix, on n'obtient pas simultanément des valeurs accep-tables pour les trois critères dans près d'une crue sur trois. Sur le bassin du Brusquet, sept crues présentent des critères de NASH compris entre 65 % et 80 %. Sur le bassin du Laval, on

enregistre cinq crues avec des critères de Pointe compris entre 65 % et 80 %, une crue pour laquelle le critère de Pointe ne dépasse pas 50 % et une crue pour laquelle le critère de NASH ne dépasse pas 77 %.

Tableau VII - Reconstitution des crues avec quatre phénomènes élémentaires.

Site

Bassins Nombre de crues où au moins un destrois critères n'est pas de bonne qualité

Draix (France) Laval

Brusquet 7/20 7/20

Vallée de l'Alptal (Suisse)

Erlenbach Lumpenenbach

1/20 4/20

Martinique Alma

Lézarde 1/20 5/20

Les résultats sont donc meilleurs à la Martinique et dans la vallée de l'Alptal. Cela s'explique sûrement par une plus faible variabilité des facteurs à l'origine des crues dans ces deux régions qu'à Draix. À la Martinique, les crues se produisent pendant la saison des pluies, suite à des averses très intenses. Dans la vallée de l'Alptal, ce sont presque exclusivement les orages d'été qui provoquent les crues les plus importantes. À l'inverse, on peut avoir plusieurs déterminismes à l'origine des crues sur le Brusquet en fonction des caractéristiques de la pluie et de l'état de saturation initial du bassin. En ce qui concerne le bassin du Laval, l'intensité joue un rôle très important durant les crues. Une valeur constante pour X1 ne permet pas de rendre compte de l'augmentation du coefficient d'écou-lement en fonction de la saturation progressive des sols dans le cas du bassin du Brusquet ou de l'augmentation de l'intensité des pluies dans le cas du bassin du Laval. 5 ) Conclusion de l'analyse directe L'étape d'analyse des couples averse-crue permet de montrer que suivant les besoins ("Volume et Pointe" ou "Volume, Pointe et NASH") et suivant les bassins, nous pouvons utiliser de un à quatre phénomènes élémentaires : - Un phénomène élémentaire (X1) : Seul le

bassin de la rivière Blanche à l'Alma est concerné. Cela traduit des évolutions tempo-relles similaires des crues observées et des crues calculées sans retard important entre la

pluie et l'écoulement. L'ajout de pertes initiales ne modifie d'ailleurs pas les résultats pour ce bassin.

- Deux phénomènes élémentaires (X1 et X2) :

Seul le bassin du Laval est concerné. - Trois phénomènes élémentaires (X1, X2 et

X3) : Les quatre autres bassins versants sont concernés. Des apports à l'écoulement total sont enregistrés après l'arrêt des pluies. Ils peuvent représenter une part importante du volume écoulé (80 % du volume le 8 juillet 1987 sur le bassin du Lumpenenbach).

- Quatre phénomènes élémentaires (X1, X2, X3

et X4) : Tous les bassins sont concernés. On change alors le niveau d'analyse. Ce ne sont plus seulement le débit de pointe et le volume écoulé qu'on cherche à reproduire, mais également le déroulement de l'événement. Sur le bassin du Laval, le déroulement des crues peut se traduire par un décalage temporel de vingt minutes.

Pour représenter les phénomènes élémen-taires, des choix ont été effectués. D'autres choix sont possibles (X1 variable, X3 quadratique…). Néanmoins, même en restant à un niveau très simple de traduction des phénomènes élémen-taires par des modèles théoriques, on constate que trois phénomènes élémentaires permettent de reproduire les débits de pointe et les volumes écoulés de la totalité des crues des sept bassins versants étudiés. D'un point de vue scientifique, les quatre phénomènes élémentaires sont néces-saires.

39

Ces quatre phénomènes élémentaires repré-sentent le déroulement des crues. Leur traduction sous la forme d'un modèle pluie-débit est immédiate. L'utilisation du modèle ainsi construit devrait permettre de quantifier les quatre phénomènes élémentaires bassin par bassin. Sans parler des processus hydrologiques, la mise en parallèle des phénomènes élémentaires et des caractéristiques physiques des bassins versants devrait permettre de les interpréter en terme de réponses hydrologiques moyennes des bassins. V - TRADUCTION DES PHÉNOMÈNES

ÉLÉMENTAIRES EN MODÈLE PLUIE-DEBIT

1 ) Le modèle pluie-débit La traduction des phénomènes élémentaires sous la forme d'un modèle pluie-débit fait de ce modèle un outil représentatif du fonctionnement des petits bassins versants torrentiels lors des crues les plus fortes. En effet, le modèle est de cette façon issu de l'analyse directe des couples

averse-crue. Ce modèle peut être utilisé comme un outil d'aide à la compréhension du fonc-tionnement hydrologique des bassins. Nous nous plaçons dans une optique scientifique en tenant compte des quatre phénomènes élémentaires. Le modèle s'articule autour des quatre phénomènes élémentaires précédents. Il comporte donc quatre paramètres (Fig. 12) : - X1, le coefficient d'écoulement constant (%).

Ce coefficient ne porte que sur les pluies une fois que les pertes initiales sont satisfaites. Il ne faut pas confondre X1 avec CE qui est le coefficient d'écoulement global de la crue. Dans la suite, X1 sera nommé coefficient d'écoulement direct.

- X2, les pertes initiales avant le début de

l'écoulement (mm). - X3, le paramètre de vidange linéaire du

réservoir (%). On rappelle que le réservoir collecte toute la pluie ne participant pas à l'écoulement produit par X1 ainsi que les pertes initiales. Au début de l'épisode pluvieux, le réservoir est vide.

- X4, le temps de montée de l'HU (h).

Figure 12 - Schéma fonctionnel du modèle pluie-débit.

Les apports par écoulement rapide et par écoulement lent sont privilégiés. La troisième contribution à l'écoulement total correspond au débit de base du bassin (V.T. CHOW et al., 1988). Cet apport est constant au cours du temps et pris égal au débit initial de chaque crue. Une telle hypothèse est commode mais relativement forte. Elle se justifie surtout par le fait que, sur les bassins étudiés, le volume ainsi modélisé reste très faible en crue.

2 ) Application du modèle Une optimisation des paramètres du modèle a été réalisée sur les 20 crues maximales des six bassins versants étudiés suivant les trois critères de Pointe, de Volume et de NASH. Les valeurs des critères sont données à la figure 13. Dans le tableau VIII, seules les valeurs moyennes (µ) et médianes (m) des paramètres, ainsi que leurs

40

écart-types (σ), sont représentées. Nous mention-nons également les ratios moyens calculés entre le volume total écoulé par X1 et le volume écoulé total. L'optimisation des paramètres du modèle est de bonne qualité sur tous les bassins. Les critères

de Pointe, de Volume et de NASH sont compris en moyenne entre 80 % et 110 % avec une variabilité faible de l'ordre de 1 à 10 % autour de la moyenne. Pour les mêmes raisons que précédemment, les résultats sont meilleurs à la Martinique et dans la vallée de l'Alptal qu'à Draix.

Tableau VIII - Moyennes (µ), médianes (m) et écart-types (σ) des paramètres.

X1 (%) X2 (mm) X3 (%) X4 (h) Ratio PN/PR Bassins

µ m σ µ m σ µ m σ µ m σ µ m σ Laval

Brusquet Erlenbach

Lumpenenbach Alma

Lézarde

57,6 13,8 46,5 22,6 26,0 40,8

52,312,940,722,322,336,8

23,0 7,60 19,3 5,00 9,70 13,3

7,28 22,4 13,6 12,2 18,9 24,4

7,6918,412,313,114,719,3

4,5118,26,504,9411,921,1

0,400,122,701,600,300,42

0,120,112,471,130,120,28

0,610,122,421,240,310,43

0,381,630,630,500,460,67

0,371,090,590,500,470,61

0,06 1,43 0,18 0,13 0,14 0,26

0,91 0,54 0,53 0,41 0,84 0,72

0,94 0,56 0,44 0,40 0,85 0,70

0,100,170,200,110,100,19

0102030405060708090

100110120

Laval

Brusquet

Erlenbach

LumpenenbachAlm

a

Lézarde

Vale

urs

des

critè

res

(%)

Pointe Volume Nash

Figure 13 - Valeurs moyennes et écart-types des trois critères. VI - RÉPONSES HYDROLOGIQUES DES

BASSINS VERSANTS Les quatre paramètres du modèle quantifient les quatre phénomènes élémentaires. Ils constituent quatre indicateurs du déroulement des crues. Les valeurs prises par les paramètres sont représentatives de la réponse hydrologique des bassins versants. L'interprétation des résultats sous forme de processus hydrologiques doit être faite avec précaution. Néanmoins, compte tenu des différences existant entre bassins versants voisins, des hypothèses sur le fonctionnement

hydrologique des bassins peuvent être avancées pour expliquer les valeurs des paramètres. De plus, le fonctionnement hydrologique peut être interprété en fonction des caractéristiques physi-ques des bassins versants (superficie, structure, pente, pédologie, géologie, état de surface, climatologie…). De cette manière, on va donner un sens physique aux paramètres du modèle. 1 ) Bassins versants de Draix Pour le bassin du Laval, le coefficient d'écoulement direct X1 et les pertes initiales X2 expliquent en moyenne plus de 90 % de la lame

41

écoulée totale (Tab. VIII). Comme lors de l'analyse directe des crues, on retrouve que la contribution de la vidange du réservoir à l'écoulement total est très faible. Par ailleurs, la valeur médiane du temps de montée X4 est d'environ 20 minutes avec un écart-type faible. Cela correspond au décalage temporel de deux pas de temps mis en évidence au cours de l'analyse directe des crues. Les bassins versants dégradés en zones de badlands possèdent une réponse hydrologique de type hortonien (F. GALLART et al., 1997 ; D. RICHARD et N. MATHYS, 1999). Ce schéma de fonctionnement par refus d'infiltration explique les montées de crue très brèves. Les valeurs élevées de X1 et faibles de X2, ainsi que la valeur moyenne du ratio PN/PR vont aussi dans ce sens.

Le fonctionnement hydrologique du bassin du Brusquet est plus complexe. Lors d'orages brefs et intenses, on enregistre fréquemment des valeurs faibles de X1, X2 et X4. Ces faibles valeurs caractérisent une réponse rapide et pointue du bassin, associée à un volume écoulé faible. Lors des longs épisodes pluvieux d'automne ou de printemps, on enregistre des valeurs plus importantes de X1, X2 et X4. La réponse du bassin est alors plus lente, davantage retardée par rapport au début de la pluie et le volume écoulé est plus élevé. Ainsi la typologie des pluies de chaque événement joue-t-elle un rôle important dans le déroulement et donc dans la paramétrisation des crues (Fig. 14). La typo-logie des pluies explique la forte variabilité des paramètres X2 et X4 autour de leurs valeurs moyennes respectives.

0

25

50

75

100

125

15013:10 14:10 15:10 16:10 17:10 18:10 19:10 20:10 21:10 22:10

Inte

nsité

de

plui

e (m

m/h

)

0

250

500

750

1000

1250

1500

Durée (heures)

Déb

it (l/

s)

Pluie Débit observé Débit calculé

X1 = 7.8 %X2 = 0 mm

X3 = 0.27 %X4 = 0.75 h

(a) Crue du 14 juin 1996

0

10

20

30

40

500:15 6:15 12:15 18:15 0:15 6:15 12:15 18:15 0:15 6:15 12:15

Inte

nsité

de

plui

e (m

m/h

)

0

100

200

300

400

500

Durée (heures)

Déb

it (l/

s)

Pluie Débit observé Débit calculé

X1 = 16.1 %X2 = 9.25 mmX3 = 0.043 %

X4 = 4.5 h

(b) Crue du 8 avril 1987 Figure 14 - Typologie des pluies et réponses hydrologiques du bassin du Brusquet.

Les apports par écoulement rapide représentent une part moins importante de l'écoulement total sur le Brusquet que sur le Laval (54 % en moyenne). Le volume écoulé produit par X1 est en moyenne du même ordre de grandeur que le volume écoulé produit par X3. Cela signifie que le ressuyage du bassin est lent et soutenu. La couverture végétale présente sur le bassin du Brusquet a favorisé le développement d'une couche de sol qu'on ne retrouve pas sur le bassin du Laval. La capacité de rétention du bassin du Brusquet est donc plus élevée que celle du Laval. La présence de la végétation explique que les pertes initiales soient plus fortes sur le Brusquet que sur le Laval et que la contribution à l'écoulement total sous forme d'un écoulement lent y soit plus importante.

Le pourcentage de zones dégradées est plus élevé sur le bassin du Laval que sur celui du Brusquet. Cela explique la diminution de X1. Une valeur constante de X1 peut s'interpréter comme un pourcentage de la surface totale du bassin répondant à 100 % de la pluie. Toutefois cette interprétation de X1 permet simplement de donner une signification du paramètre compréhensible et acceptable sur les bassins versants de Draix. Par ailleurs, lors des longues périodes plu-vieuses, on peut supposer que le bassin du Brusquet se sature progressivement. Sans parler d'écoulement sur surfaces saturées, la saturation progressive du bassin expliquerait les valeurs plus élevées de X1. Lors des épisodes orageux, les valeurs faibles de X1 s'interpréteraient comme

42

la réponse des zones dégradées aux fortes intensités de pluie, qui s'effectue de la même manière que sur le Laval sous la forme d'un écoulement de surface par refus d'infiltration. On comprend aussi que les valeurs de X4 augmen-tent d'un type d'événement à l'autre : l'activation d'un bassin par refus d'infiltration est plus rapide que par saturation progressive du bassin. 2 ) Bassins versants de la vallée de l'Alptal Les deux bassins versants suisses possèdent des fonctionnements où la part d'écoulement lent pour expliquer l'écoulement total est très importante. Les valeurs moyennes de X3 sont beaucoup plus fortes pour ces trois bassins que pour ceux de Draix ou de Martinique. Les débits restent donc soutenus sur ces deux bassins après la fin des pluies. Les valeurs plus fortes de X3 pour l'Erlenbach se traduisent par un tarissement plus rapide que sur l'autre bassins (Fig. 15).

Il faut noter qu'une valeur forte de X3 n'implique pas une contribution plus importante en volume de l'écoulement lent à l'écoulement total. Dans le cas de l'Erlenbach, les valeurs moyennes et médianes de X3 sont fortes. Pourtant, le ratio PN/PR moyen est de l'ordre de celui calculé sur le bassin du Brusquet, où les valeurs de X3 sont 20 fois plus faibles en moyenne. X3 est donc représentatif ici de la dynamique des décrues. On peut interpréter les valeurs fortes de ce paramètre sur les bassins de l'Erlenbach et du Lumpenenbach en fonction de la forme de ces deux bassins versants. Ils sont tous deux de forme oblongue d'après la valeur de l'indice de compa-cité de GRAVELIUS (Tab. I). Ainsi les contri-butions à l'écoulement mesuré à l'exutoire des zones situées en tête de bassin ont des temps de transit dans le bassin plus longs que les zones proches de l'exutoire (A. MUSY et C. HIGY, 2004). Cette caractéristique des bassins pourrait expliquer l'allure des décrues.

0

50

100

150

200

25014:50 15:20 15:50 16:20

Inte

nsité

de

plui

e (m

m/h

)

0

5000

10000

15000

20000

Durée (heures)

Déb

it (l/

s/km

²)

Ecoulement de base Contribution lente Contribution rapidePluie Débit observé

X1 = 74.1 %X2 = 12.5 mmX3 = 6.39 %X4 = 30 min

(a) Crue du 14 juillet 1995 sur le bassin de l'Erlenbach

0

50

100

150

200

25014:50 15:20 15:50 16:20 16:50

Inte

nsité

de

plui

e (m

m/h

)

0

1000

2000

3000

4000

5000

Durée (heures)D

ébit

(l/s/

km²)

Ecoulement de base Contribution lente Contribution rapidePluie Débit observé

X1 = 21.2 %X2 = 11.6 mmX3 = 1.23 %X4 = 30 min

(b) Crue du 14 juillet 1995 sur le bassin du Lumpenenbach

Figure 15 - Répartition des trois contributions à l'écoulement total. Par ailleurs, les valeurs moyennes de X2 sont du même ordre de grandeur sur les deux bassins de la Vallée de l'Alptal. Les états initiaux ne présentent donc pas de différences majeures. En revanche, une fois que l'écoulement a commencé, les valeurs moyennes et médianes de X4 sont plus faibles sur le bassin versant le plus compact des deux. Les valeurs moyennes de X1 sont plus fortes sur le bassin de l'Erlenbach que sur le bassin du Lumpenenbach. Pour ce dernier, on note même que les valeurs moyennes et médianes de X1 sont du même ordre de grandeur que le pourcentage

de zones humides référencées sur ce bassin. La variabilité de X1 autour de sa valeur moyenne est très faible. Cette remarque tend à montrer que le pourcentage de zones humides joue un rôle important dans l'hydrologie des deux bassins. Le plus fort pourcentage de zones humides, enregistré sur l'Erlenbach, explique que les débits de pointe et les volumes écoulés y soient beaucoup plus élevés que sur l'autre bassin. Les valeurs moyennes et médianes de X1 vont dans ce sens.

43

Les deux paramètres X1 et X3 jouent un rôle important dans l'explication des écoulements de ces deux bassins versants. X1 pourrait corres-pondre cette fois encore à un pourcentage de la surface des bassins versants répondant à 100 % de la pluie une fois que les pertes initiales sont satisfaites. Ce pourcentage de la surface serait ici de l'ordre de grandeur du pourcentage de zones humides et pourrait s'interpréter comme un pour-centage de zones contributives à l'écoulement. Comme à Draix, cette interprétation de X1 reste une hypothèse pour comprendre la réponse hydrologique des bassins versants de la Vallée de l'Alptal. 3 ) Bassins versants de la Martinique Les bassins versants martiniquais présentent les ratios PN/PR moyens les plus forts après celui enregistré sur le Laval. Sur le bassin de l'Alma, un coefficient d'écoulement constant explique le volume écoulé et le débit de pointe de crue dans 75 % des cas. On pouvait donc s'attendre à l'importance du paramètre X1 et à sa contribution au volume écoulé total, au moins sur le bassin de l'Alma. Si les ratios PN/PR sont élevés, les valeurs moyennes et médianes de X1 sont en revanche beaucoup plus faibles que celles calculées sur le bassin du Laval. Ces deux bassins versants martiniquais sont caractérisés par une couverture végétale dense. Ils possèdent également des sols épais et filtrants dont les capacités de stockage et les conductivités hydrauliques sont très élevées (M. MEUNIER, 1999). Des hypothèses de fonctionnement de ces deux bassins sous forme d'écoulement hortonien ou d'écoulement par saturation de zones contribu-tives ne seraient pas réalistes. Une interprétation de X1 sous la forme d'un pourcentage du bassin répondant à 100 % de la pluie n'est plus envisa-geable. En revanche, X1 pourrait correspondre à un pourcentage de la pluie affectant 100 % du bassin. Bien entendu, cette interprétation de X1 est aussi schématique que la précédente. Néan-moins, on comprend bien, de cette manière, les différences entre la signification de X1 à la Martinique et la signification de X1 à Draix ou dans la Vallée de l'Alptal. Avec cette interprétation de X1, on pense, pour expliquer les écoulements, à une activation des drains sous l'effet des forts abats pluvieux ou à une contribution des sols sous forme d'écoulement activé par effet piston. Ces deux

types de fonctionnement expliqueraient que sur le bassin versant de la Lézarde, d'une superficie de près de 13 km2, les valeurs moyennes de X4 soient du même ordre de grandeur que celles obtenues sur le bassin de l'Erlenbach (0,64 km2). En ce qui concerne X2, il est intéressant de noter que les valeurs moyennes et médianes de ce paramètre sont du même ordre de grandeur que celles calculées sur le bassin du Brusquet. Ici aussi, la forte capacité de rétention des sols intervient. Pourtant, pendant la saison des pluies, les sols restent en permanence à un niveau de saturation élevé. On aurait donc pu s'attendre à des valeurs faibles de ce paramètre. Pour bien comprendre, il faut en fait rapporter les valeurs de X2 à la climatologie locale des bassins. À titre indicatif, la pluie décennale horaire estimée au poste pluviographique du bassin de l'Alma est égale à la pluie journalière décennale estimée à Draix (80 mm). Ainsi X2 représente-t-il en moyenne 20 % du cumul de pluie des vingt plus fortes crues sur les bassins de l'Alma et de la Lézarde. En comparaison, les valeurs de X2 représentent en moyenne 35 % du cumul de pluie des vingt plus fortes crues du Brusquet. Durant la saison des pluies, les débits restent soutenus entre deux événements. L'eau stockée dans le bassin se ressuie lentement après l'arrêt des pluies. Ce ressuyage lent s'exprime en terme de phénomènes élémentaires avec des valeurs faibles de X3. Enfin, J. GUISCAFRE et al. (1975) et M. MEUNIER (1999) insistent sur l'importance de la superficie des bassins pour expliquer les débits de pointe et les temps de montée des crues. La surface est un paramètre morphologique du bassin représentatif à lui seul de la forme et de la structure des bassins de l'île. Compte tenu de ces informations, on peut interpréter les valeurs de X4 en fonction de la superficie des bassins. À la figure 16, nous avons représenté les temps de montée moyens et les écart-types correspondants obtenus avec le modèle. La relation expérimen-tale proposée par J. GUISCAFRE et al. (1975) entre la surface et le temps de montée est aussi représentée. Cette relation fournit vraisemblable-ment un temps de montée limite correspondant au temps d'activation minimum des bassins, tandis que pour chaque crue le temps de montée dépend des caractéristiques des pluies. Malgré cela, les valeurs calculées par le modèle sont du même ordre de grandeur que celles obtenues avec la relation expérimentale.

44

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 2 4 6 8 10

Surface0.5 (km)

Tem

ps d

e m

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e (h

)

Alma

Lézarde

Figure 16 - Comparaison des tempsde montée calculés par le modèle etdes temps de montée obtenus enappliquant la relation expérimentaleproposée par J. GUISCAFRE et al.(1975).

4 ) Interprétation des paramètres Compte tenu des contextes physiques et climatologiques très différents des bassins versants, une synthèse de l'analyse des réponses hydrologiques est délicate. Néanmoins l'analyse des réponses hydrologiques permet de proposer des interprétations possibles des paramètres et des valeurs obtenues en fonction des caractéris-tiques physiques des bassins. À présent, nous pouvons synthétiser ces différentes interpré-tations des quatre paramètres du modèle pluie-débit : - Le coefficient d'écoulement direct X1 sert à

reproduire le débit de pointe de la crue ainsi que le volume écoulé autour de la pointe. Nous l'avons interprété comme un pourcentage du bassin répondant à 100 % de la pluie pour des fonctionnements hydrologiques de type horto-nien ou surfaces contributives. Pour les bassins martiniquais, une interprétation comme un pourcentage de la pluie entraînant une réponse de tout le bassin a semblé plus réaliste. Une valeur constante de X1 indique que le pourcen-tage de surface ou de pluie contribuant rapidement à l'écoulement n'évolue pas au cours de la crue. Une telle représentation de la production du bassin peut être limitée lors des crues provoquées par des pluies longues et saturantes. Les processus hydrologiques domi-nants sont liés aux caractéristiques physiques des bassins. L'activation des processus dépend des conditions initiales et des conditions de forçage. Pour un bassin versant donné, X1 devrait varier en fonction des conditions initiales de saturation au début de chaque événement et des caractéristiques des pluies de chaque événement.

- Les pertes initiales X2 correspondent au seuil de déclenchement de l'écoulement. Sur un petit bassin versant au fonctionnement hortonien, X2 est surtout fonction de l'intensité des pluies en début d'événement. Sur un petit bassin versant au fonctionnement de type surfaces contri-butives ou possédant une forte capacité de rétention, X2 varie aussi suivant les cumuls de pluies antérieures.

- La vidange du réservoir, définie par le

paramètre X3, représente une contribution lente à l'écoulement total. Elle s'apparente au ressuyage du bassin après l'arrêt des pluies. Une valeur forte de X3 (≥ 1 %) indique que le volume écoulé en décrue est très important. À l'inverse, une valeur faible (≤ 0,5 %) indique soit que les apports par vidange sont très faibles, soit que le ressuyage du bassin est très lent. Le ratio calculé entre le volume total écoulé par le coefficient d'écoulement et le volume écoulé total permet de comparer les contributions rapide et lente à l'écoulement total. On retiendra que la forme des bassins et la dynamique des crues influencent l'allure des décrues et donc la valeur de X3.

- X4 correspond au temps de montée des crues.

En général, les valeurs de ce paramètre sont faibles et peu variables sur les crues fortes. Elles caractérisent une réponse rapide des petits bassins versants torrentiels lors des crues. On rappellera le cas particulier du bassin versant du Brusquet où X4 semble varier en fonction de la typologie des crues. Une interprétation de X4 comme un temps d'activation des bassins peut être proposée. Ce temps d'activation dépend des conditions initiales de saturation, des conditions de forçages climatiques et de l'état de surface ou de la forme du bassin versant.

45

VII - CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES Sur les petits bassins versants torrentiels, l'analyse directe des couples averse-crue aide à l'identification des phénomènes élémentaires caractéristiques du fonctionnement hydrologique des bassins en crue. L'étude des phénomènes élémentaires aboutit au développement d'un modèle pluie-débit à quatre paramètres. Ce modèle est conceptuel et représentatif du fonctionnement des bassins en crue. En outre, il est faiblement paramétré. Les valeurs prises par les quatre paramètres du modèle sur une crue donnée fournit des informations précises sur la réponse hydrologique du bassin lors de cette crue. Les valeurs moyennes ou médianes prises par les paramètres du modèle sur les 20 plus fortes crues mettent en évidence des tendances de fonctionnement de chaque bassin versant. Cela implique que le modèle peut être utilisé de deux façons différentes selon que l'on souhaite comprendre le

déroulement d'une crue ou estimer le compor-tement hydrologique moyen d'un bassin versant. Ce modèle peut donc être utilisé sur un bassin versant où peu de crues ont été observées. En outre, les résultats traduisent des tendances de fonctionnement du bassin. Nous souhaitons l'appliquer maintenant pour étudier l'évolution des valeurs prises par les paramètres de la crue normale à la crue extrême. De cette manière, on pourra extrapoler les valeurs des paramètres vers les crues extrêmes qui sont celles pour lesquelles les conséquences peuvent être importantes d'un point de vue humain et matériel. En parallèle, nous avons la possibilité d'interpréter les valeurs des paramètres en fonction de caractéristiques physiques assez élémentaires des bassins versants. Il faudrait approfondir ce point. Néanmoins, cela devrait permettre d'étudier le fonctionnement hydrolo-gique des petits bassins versants torrentiels non jaugés.

Remerciements : Les auteurs remercient la Direction Régionale de l'Environnement de la Martinique ainsi que l'Institut fédéral de recherche sur la forêt, la neige et le paysage de Birmensdorf (Suisse) pour leur avoir donné l'opportunité d'utiliser les données pluie-débit dont ils disposent. RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES AMBROISE B. (1999) - La dynamique du cycle

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47

CRUES ET INONDATIONS DE L'OUED EL HANDAK : GENÈSE, IMPACT ET PROPOSITIONS D'AMÉNAGEMENT

(Atlas de Beni Mellal)

Yahia EL KHALKI (1) et Abdelhalim BENYOUCEF (2) (1) : Centre d'Études et de Recherches Géographiques sur Tadla - Azilal et Espaces Oasiens, Faculté des

Lettres et Sciences Humaines, avenue Oulade Hamdane, BP 524, 23000 BENI MELLAL, MAROC. Mél : yahiaelkahalki@yahoo.fr . (2) : Faculté des Sciences et Techniques, Département des Sciences de la Terre, 23000 BENI MELLAL,

MAROC. RÉSUMÉ : Depuis une décennie, l'oued El Handak, qui traverse la ville de Beni Mellal sur cinq kilomètres, connaît presque chaque année une crue violente, à la fin de l'automne ou au début de l'hiver, pour des pluies abondantes et concentrées. Des inondations se sont produites en 1996, 2002 et 2003. La méthode adoptée dans ce travail associe une approche naturaliste débouchant sur une cartographie des facteurs déclenchant et/ou aggravant les crues et les inondations, à des enquêtes auprès des populations et des organismes publics. L'étude du bassin versant de l'oued El Handak montre l'importance du rôle de l'homme parmi les éléments explicatifs des caractères des crues (surpâturage, dégradation du couvert végétal). Par ailleurs, les ponts aggravent les inondations à Beni Mellal, car les dépôts accumulés en arrière de ces ouvrages sous-dimensionnés limitent les écoulements et favorisent les débordements. MOTS-CLÉS : crues, inondations, aménagement, action de l'homme, oued El Handak, Atlas de Beni Mellal. ABSTRACT : Since a decade, El Handak oued, which crosses the town of Beni Mellal over five kilometers, knows almost every year a violent flood that occur more particularly after strong and concentrated autumnal rainfalls. Inondations occurred in 1996, 2002 and 2003. The method adopted in this paper associates a naturalistic approach which leads to a mapping of the factors that set and/or aggravate floods and inondations, with inquiries among population and public organisms. The study of El Handak catchment points out the important role of human impact amongst factors that explain floods characteristics (overgrazing, vegetable cover degradation). In other respects, the bridges aggravate the inondations in Beni Mellal, because the deposits accumulated behind these under-dimensioned infrastructures hold up the flows and favour overflowings. KEY-WORDS : floods, inondations, management, human impact, El Handak wadi, Atlas of Beni Mellal. I - INTRODUCTION Les inondations constituent, depuis ces dernières années, une menace sévère au Maroc. Elles ont touché un grand nombre de villes, dans le Dir moyen atlasique, comme Sefrou, El Hajeb et Taza, ainsi que dans les basses plaines atlantiques, comme Mohammadia, Settat et Berchide (K. OBDA et al., 2001 ; B. AKDIM et al., 2003 ; Agence Hydraulique du Bassin de l'Oum-er-Rbia, 2002). L'impact de ces phéno-mènes hydrologiques est aggravé non seulement

par une extension urbaine non contrôlée, mais aussi par une dégradation accélérée du couvert végétal et des sols. La ville de Beni Mellal (Fig. 1) est confron-tée aux risques d'inondation. Quatre oueds présentent pour elle un danger potentiel : El Handak, Sabek, Aïn Lghazi et Kikou. Les risques hydrologiques sont d'autant plus sérieux que la ville se trouve au contact de l'Atlas de Beni Mellal et de la plaine de Tadla, en position de dir (ou de piémont). Elle connaît actuellement des crues presque tous les ans, le plus souvent en décembre (1990, 1993, 1996, 1997, 2000, 2003)

Études de Géographie Physique, n° XXXII, 2005

48

ou en novembre (2002). Ces crues ont provoqué des inondations en 1996, 2002 et 2003. L'oued El Handak est le cours d'eau le plus important. La ville de Beni Mellal est du reste en bonne partie développée sur son ancien cône de

déjection, localisé immédiatement en aval de la sortie de la montagne ("Foum"). Cet oued consti-tue le sujet de la présente étude, qui a été menée avec les étudiants de Licence du Département de Géographie de Beni Mellal (T. CHORFI et al., 2004).

OUED KIKOU ( 63.7 Km2 )

OUED EL HANDAK ( 31.1 Km2 )

OUED AÏN EL GHAZI ( 14 Km2 )

OUED SABEK ( 26 Km2 )

Oued Day

Oue

dEl

Handak

Akka-n-Khlifa

O. Bou Toute

AdouzMghila

Oulad Ayad

Zone industrielle OurbiaAït TislitRiad Essalam

0 1km

Aïn Lghazi

N

EW

S

Tissu urbainZones inondéesAutres oueds et affluentsOueds El Handak et DayRoutesLimites des bassins versants

Figure 1 - Situation de Beni-Mellal sur l'oued El Handak.

II - APPROCHE MÉTHODOLOGIQUE Alors que les grands systèmes fluviaux de plaines connaissent des crues lentes, les petits bassins versants, comme celui de l'oued El Handak, subissent des crues rapides ou crues éclair (flash-floods) caractérisées par une montée et une décrue rapides (M. PARDÉ, 1956 ; P. GEORGE, 1970 ; J.N. SALOMON, 1997). Cette distinction est adoptée au Maroc par le Plan Directeur de Protection contre les Inondations (PDPI ; in Agence Hydraulique du Bassin de l'Oum-er-Rbia, 2002). L'absence de station hydrométrique sur l'oued El Handak constitue un lourd handicap pour la connaissance des fonctionnements hydro-logiques. Le travail s'appuie donc sur l'examen des conditions de genèse des crues et sur l'analyse de leurs conséquences. Des observations de terrain permettent d'établir un diagnostic sur la genèse et l'impact des crues, en identifiant les caractères physiques

du bassin versant amont (végétation, sol, pentes et nature des roches), en notant les ouvrages d'art susceptibles d'entraver les écoulements et en repérant les traces des crues précédentes. Ce travail débouche sur une cartographie des zones inondables et des éléments qui interviennent sur le bassin versant pour aggraver les crues et les inondations (extension des zones dégradées et imperméables, système des pentes, érosion des berges, points de débordement des eaux…). Cette approche naturaliste est associée à des enquêtes auprès des riverains et des adminis-trations (Collectivité locale, Agence Urbaine, Agence hydraulique de l'Oum er Rbia, Direction Provinciale d'Agriculture, Eaux et Forêts, Délé-gation de l'Aménagement, Eau et Environne-ment). Ces enquêtes renseignent sur les dégâts provoqués par les inondations et sur la perception des phénomènes hydrologiques exceptionnels par les riverains. Elles permettent en outre de faire le point sur les actions des administrations concer-nées en matière d'étude et d'aménagement pour lutter contre les inondations.

49

III - LE BASSIN VERSANT DE L'OUED EL HANDAK

1 ) Description du bassin versant L'oued El Handak draine un bassin montagneux d'une superficie de 31,1 km2. De l'amont vers l'aval, le cours d'eau change deux fois de nom : appelé Bou Tout dans le bassin supérieur, il devient Akka n'Khelifa dans le bassin moyen, puis El Handak dans le bassin inférieur.

La partie orientale du bassin versant est essentiellement constituée d'une série marneuse armée de bancs centimétriques de grès et de calcaire (Lias supérieur, Toarcien, Aalénien et Bajocien – Fig. 2). Toutefois certains secteurs, et notamment le Jbel Tacemmit, sont formés de roches carbonatées : calcaires dolomitiques et dolomies du Lias inférieur. Sur le dir, affleurent des formations sablo-molassiques et des calcaires phosphatés du Maestrichtien et de l'Éocène, ainsi que des calcaires d'eau douce pontiens et pliocènes.

000000000 2 KM2 KM2 KM2 KM2 KM2 KM2 KM2 KM2 KM

Conglomérats et calcaires d'eau douceConglomérats et calcaires d'eau douceConglomérats et calcaires d'eau douceConglomérats et calcaires d'eau douceConglomérats et calcaires d'eau douceConglomérats et calcaires d'eau douceConglomérats et calcaires d'eau douceConglomérats et calcaires d'eau douceConglomérats et calcaires d'eau douce

Calcaires et calcaires marneuxCalcaires et calcaires marneuxCalcaires et calcaires marneuxCalcaires et calcaires marneuxCalcaires et calcaires marneuxCalcaires et calcaires marneuxCalcaires et calcaires marneuxCalcaires et calcaires marneuxCalcaires et calcaires marneux

Marnes et calcaires gréseuxMarnes et calcaires gréseuxMarnes et calcaires gréseuxMarnes et calcaires gréseuxMarnes et calcaires gréseuxMarnes et calcaires gréseuxMarnes et calcaires gréseuxMarnes et calcaires gréseuxMarnes et calcaires gréseux

Calcaires et marno-calcairesCalcaires et marno-calcairesCalcaires et marno-calcairesCalcaires et marno-calcairesCalcaires et marno-calcairesCalcaires et marno-calcairesCalcaires et marno-calcairesCalcaires et marno-calcairesCalcaires et marno-calcaires

Calcaires dolomitiques et dolomiesCalcaires dolomitiques et dolomiesCalcaires dolomitiques et dolomiesCalcaires dolomitiques et dolomiesCalcaires dolomitiques et dolomiesCalcaires dolomitiques et dolomiesCalcaires dolomitiques et dolomiesCalcaires dolomitiques et dolomiesCalcaires dolomitiques et dolomies

∗

Dépôts quaternaireDépôts quaternaireDépôts quaternaireDépôts quaternaireDépôts quaternaireDépôts quaternaireDépôts quaternaireDépôts quaternaireDépôts quaternaire

Maestrichtien-EocèneMaestrichtien-EocèneMaestrichtien-EocèneMaestrichtien-EocèneMaestrichtien-EocèneMaestrichtien-EocèneMaestrichtien-EocèneMaestrichtien-EocèneMaestrichtien-EocèneSables molassiques et grès phosphatésSables molassiques et grès phosphatésSables molassiques et grès phosphatésSables molassiques et grès phosphatésSables molassiques et grès phosphatésSables molassiques et grès phosphatésSables molassiques et grès phosphatésSables molassiques et grès phosphatésSables molassiques et grès phosphatés

Pontico-PliocènePontico-PliocènePontico-PliocènePontico-PliocènePontico-PliocènePontico-PliocènePontico-PliocènePontico-PliocènePontico-Pliocène

BajocienBajocienBajocienBajocienBajocienBajocienBajocienBajocienBajocien

Toarcien-AalénienToarcien-AalénienToarcien-AalénienToarcien-AalénienToarcien-AalénienToarcien-AalénienToarcien-AalénienToarcien-AalénienToarcien-Aalénien

Lias inférieur et moyenLias inférieur et moyenLias inférieur et moyenLias inférieur et moyenLias inférieur et moyenLias inférieur et moyenLias inférieur et moyenLias inférieur et moyenLias inférieur et moyen

Lias supérieurLias supérieurLias supérieurLias supérieurLias supérieurLias supérieurLias supérieurLias supérieurLias supérieur

FaillesFaillesFaillesFaillesFaillesFaillesFaillesFaillesFailles

DouarDouarDouarDouarDouarDouarDouarDouarDouar

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MoujMoujMoujMoujMoujMoujMoujMoujMouj

Figure 2 - Carte géologique du bassin versant de l'oued El Handak.

La structure géologique, caractérisée par un système en écailles, est d'une grande complexité et résulte particulièrement de la phase alpine "pontico-pliocène" (M. MONBARON, 1982 ; B. HAKIM, 1982). L'intensité de la fracturation, liée à des failles chevauchantes d'orientation SO-NE (failles du Jbel Tacemmit et de Tadla) a favorisé, d'une part, la fragilité des couches géologiques et, d'autre part, le développement des formes karstiques de surface. Le tracé en baïonnette de l'oued El Handak est lui-même dicté par un système de fractures orthogonales. Dans sa partie orientale, le bassin versant de l'oued El Handak est dominé par de longues crêtes, orientées SO-NE, qui culminent à plus de 1900 m (Jbel Tacemmit, 2248 m ; Jbel Idmrane,

1936 m ; Jbel Iloughman, 2030 m). Des méga-lapiés se sont développés sur les roches carbonatées. Bien que liés à des processus krypto-karstiques agissant sous couverture pédo-logique, ils apparaîssent souvent à l'air libre. À leur sommet, ils montrent alors des cannelures de paroi, et à leur base des encoches de corrosion qui matérialisent les différents niveaux de stationnement de la couverture pédologique (Y. EL KHALKI et A. HAFID, 2002). La locali-sation seulement sommitale des cannelures de paroi et la conservation des encoches de corro-sion indiquent que le décapage du sol s'est produit récemment, à la suite de la déforestation et du surpâturage. Sur le haut des versants et sur les pentes moyennes (20 à 30 %), on observe d'ailleurs actuellement, lors des pluies intenses,

50

des phénomènes d'érosion qui finissent par faire apparaître des "dents de pierre" (tête de lapiés). Dans toute la zone amont, les vallées principales sont profondément encaissées. Les versants très raides, avec des pentes comprises entre 40 et 80 %, portent un tapis végétal et des sols dégradés. Sur roches tendres, ils sont lacérés par des ravines qui alimentent l'oued El Handak en sédiments lors des épisodes pluviométriques exceptionnels. À proximité du douar Mouj (voir Fig. 3), les matériaux de la terrasse gharbienne (Holocène), épaisse de 1,30 m, montrent des variations granulométriques et des niveaux charbonneux qui témoignent des défrichements et des incendies qui ont affecté ce secteur dans le passé. 2 ) Caractéristiques morphométriques Les paramètres morphométriques du bassin versant fournissent des informations précieuses pour la compréhension des écoulements. La représentativité des résultats dépend évidemment de la qualité des cartes utilisées (P. DUBREUIL, 1974). Les calculs ont été effectués à partir des cartes de Beni Mellal et de Taghzirt au 1/50000, sur lesquelles l'équidistance entre les courbes de niveau est de 20 m. a . Paramètres de forme Parmi les paramètres couramment utilisés on

trouve le coefficient de compacité Kc de GRAVELIUS, le rectangle équivalent, l'indice de forme (Tab. I). Le coefficient de compacité Kc rend compte de la manière dont les eaux écoulées par les différentes parties du bassin versant peuvent se concentrer à l'exutoire. Il se calcule en appliquant la formule suivante : Kc = 0,28 × P × A0.5 où P est le périmètre stylisé du bassin (en km) et A la superficie (en km2). Kc est égal à 1 pour un bassin circulaire et il croît d'autant plus que la compacité diminue (P. DUBREUIL, 1974 ; G. RÉMÉNIÉRAS, 1980). La valeur de 1,50 trouvée pour le bassin de l'oued El Handak correspond à un bassin allongé peu favorable à la concentration des écoulements. Le rectangle équivalent est destiné à faciliter la comparaison entre des bassins versants du point de vue de l'influence de leurs caracté-ristiques sur l'écoulement (M. ROCHE, 1963). La longueur du rectangle équivalent, asso-ciée à la superficie du bassin versant sert à calculer, l'indice de forme Sf. Le bassin versant de l'oued El Handak correspond à un rectangle équivalent dont la longueur est cinq fois plus grande que la largeur (Tab. I). L'indice de forme conduit au même diagnostic que le coefficient de compacité.

Tableau I - Indices de forme du bassin versant de l'oued El Handak.

A superficie

en km2

P périmètre

en km

Kc coefficient

de compacité

Longueur L du rectangle

équivalent(km)

Largeur l du rectangle

équivalent (km)

Indice de forme

Sf

31,1

30

1,50

12,44

2,45

4,97

P : périmètre stylisé du bassin versant. A : superficie du bassin versant. Kc = 0,28 × P × A0.5. L = [(Kc √A)/1,12] × [√1-(1,12/Kc)2]. l = [(Kc √A)/1,12] × [1 - √1-(1,12/Kc)2]. Sf = L2 / A.

b . Paramètres de relief Une carte hypsométrique a été réalisée à l'échelle du 1/50000 (Fig. 3 et Tab. II). La dénivelée atteint 1598 m. La tranche d'altitude comprise entre 650 et 1400 m repré-sente 48 % de la superficie du bassin, tandis que celle comprise entre 1400 et 2248 m en représente 52 %. Sur la partie la plus élevée du

bassin prédominent à la fois des pentes raides, des roches tendres et imperméables (marno-calcaires et marnes) et un couvert végétal dégradé (Photo 1). Divers indices traduisant les caractères généraux du relief du bassin versant sont présentés dans le tableau III.

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Oued El HandakAffluentsLimite du bassin

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Figure 3 - Carte hypsométrique du bassin versant de l'oued El Handak.

Tableau II - Répartition par tranches d'altitude de la superficie du bassin versant de l'oued El Handak.

Tranches d'altitude (m) Superficie (km2) Pourcentage (%) Pourcentage cumulé < 800 2,6 8,35 8,35

800 - 1000 2,81 9,03 17,38 1000 - 1200 4,1 13,18 30,56 1200 - 1400 5,5 17,68 48,24 1400 - 1600 5,0 16,07 64,31 1600 - 1800 5,8 18,64 82,95 1800 - 2000 4,3 13,82 96,77 2000 - 2200 0,95 3,05 99,82

> 2200 0,05 0,16 99,98 Tableau III - Paramètres de relief du bassin versant de l'oued El Handak.

A (km2)

P (km)

Hmax (m)

Hmin (m)

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H50% (m)

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31,1 30 2248 650 1950 700 1300 128,4 104,5 582 A : superficie du bassin versant. P : périmètre stylisé du bassin versant. Hmax : altitude maximale. Hmin : altitude minimale. H95% : altitude dépassée sur 95 % de la superficie du bassin versant. H5% : altitude dépassée sur 5 % de la superficie du bassin versant. H50% : valeur médiane des altitudes du bassin versant. Pm : pente moyenne du bassin ; Pm = Dt / Lrect.éq. = (Hmax - Hmin) / Lrect.éq. ; avec Dt : dénivelée théorique (m), Lrect.éq. : longueur du rectangle équivalent (km), Hmax et Hmin : altitudes maximale et minimale du bassin (m). Ig : indice de pente global ; Ig = D / Lrect.éq. = H95% - H5% / Lrect.éq. ; avec H5% : altitude dépassée sur 5% de la superficie du bassin (m), H95% : altitude dépassée par 95% de la superficie du bassin (m) et Lrect.éq. : longueur du rectangle équivalent (km). Ds : dénivelée spécifique (P. DUBREUIL et J. GUISCAFRE, 1971) ; Ds = Ig × √A ; avec Ig : indice de pente global et A : superficie du bassin versant (km2).

52

Photo 1 - Pentes fortes et couvert végétal dégradé sur marnes dans le secteur de Timesker

(partie amont du bassin versant de l'oued El Handak). La pente moyenne, l'indice de pente global et la dénivelée spécifique trouvés pour le bassin versant de l'oued El Handak sont élevés. Une dénivelée spécifique de 582 m rattache le relief de ce bassin versant à la classe des reliefs très forts. 3 ) Couvert végétal De nombreux auteurs ont souligné le rôle joué par la forêt dans la réduction des débits de crue (J.P. BRAVARD et F. PETIT, 1997 ; J.N. SA-LOMON, 1997 ; J. LAVABRE et C. MARTIN, 2001). Il faut des précipitations particulièrement abondantes pour que le rôle de la forêt devienne négligeable (C. MARTIN et al., 2003). La majeure partie du bassin versant de l'oued Handak est couverte d'un matorral de chêne vert (Quercus retundifolia) qui se présente sous deux formes : - Un matorral plus ou moins dense où le chêne

vert, essence dominante, est associé au genévrier oxycèdre (Oxycedrus juniperus). Ce type de matorral colonise notamment le haut des versants abrupts du Jbel Idmrane ainsi que le versant sud-est du Jbel Tacemmit (Fig. 4).

- Un matorral dégradé et très ouvert où le chêne

vert apparaît en mélange avec de nombreuses

autres espèces : lentisque (Pistacia lentiscus), caroubier (Ceratonia siliqua), oléastre (Olea europaea), palmier nain (Chamaerops humu-lis), euphorbe (Euphorbia resinefera)... Ce type est représenté en particulier sur le versant ouest du Jbel Afoud (1366 m d'altitude) et sur le Jbel Idoumaz (1300 m d'altitude).

L'olivier est cultivé près du douar Mouj, dans un secteur où la vallée de l'oued El Handak est très évasée (Photo 2). Enfin, en allant vers le dir, le versant dominant l'émergence d'Ourbia est recouvert d'un beau reboisement de pin d'Alep (Pinus halepensis) qui date d'une trentaine d'années au moins. Au total, la forêt a subi une forte dégradation liée à une pression agro-pastorale considérable. La population exploite chaque mètre carré de terre arable disponible. Mais, surtout, la totalité du bassin versant est vouée à un élevage extensif, spécialement caprin et ovin (Y. EL KHALKI et A. HAFID, 2002). La charge pastorale est très élevée durant la période estivale. Selon les populations montagnardes, la forêt a sensiblement régressé depuis les années 1970. La sécheresse qui a sévi au Maroc au cours de cette période a favorisé cette évolution.

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Figure 4 - La végétation sur le bassin versant de l'oued El Handak.

Photo 2 - L'oliveraie du douar Mouj.

3 ) Pluviométrie Les précipitations mensuelles moyennes observées aux stations de Beni Mellal, Taghzirt et El Ksiba sur la période 1975-2003, sont présentées sur la figure 5. Les données ont été communiquées par l'Agence Hydraulique du Bas-sin de l'Oum-er-Rbia.

Les précipitations annuelles moyennes atteignent 425 mm (écart-type : 107 mm) à Beni Mellal (à 537 m d'altitude, sur le piémont), 492 mm (écart-type : 136 mm) à Taghzirt (à 566 m d'altitude, également sur le piémont) et 679 mm (écart-type : 268 mm) à El Ksiba qui subit l'effet de l'altitude (1050 m).

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Figure 5 - Précipitations mensuelles moyennes à trois stations du bassin versant de l'oued El Handak

sur la période septembre 1975 - août 2003. D'octobre à mai, les précipitations men-suelles moyennes varient de 32,6 mm (en octobre à Beni Mellal) à 109,5 mm (en janvier à El Ksiba). La période sèche, quant à elle, dure de quatre à cinq mois et peut ne recevoir aucune pluie. En l'absence de données fines sur l'intensité des pluies, seules les valeurs journalières peuvent nous donner une idée de la violence des préci-pitations. La figure 6 porte sur l'épisode du 1er au 10 décembre 2003. Sur cette courte période, 106,1 mm sont tombés à Beni Mellal et 122,6 mm à Taghzirt. Mais les abats d'eau ont certainement été bien supérieurs sur les parties sommitales du bassin. L'épisode du 1er au 10 décembre 2003 a été précédé par des précipitations abondantes durant

les mois d'octobre et de novembre (respecti-vement 75,9 et 110 mm à Beni Mellal, ; 84,7 et 126,4 mm à Taghzirt – Fig. 6). Le 9 décembre 2003, le bassin versant a reçu au moins 35 mm de précipitations. À Beni Mellal, le débit de pointe de crue engendré par ces pluies s'est produit le 10 décembre vers 3 ou 4 heures du matin (selon les riverains). Le 10 décembre à 8 heures, le débit de l'oued El Handak avoisinait encore 33 m3/s (estimation par la méthode du flotteur : section mouillée 6,5 m2, vitesse du courant : 5 m/s) dans le quartier Al Adarissa, juste en aval du premier point de débordement. La violence de cette crue est attestée en amont de Beni Mellal par les dégâts occasionnés à l'oliveraie du douar Mouj, où une vingtaine d'arbres ont été arrachés.

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Figure 6 - Précipitations journalières aux stations de Beni Mellal et de Taghzirt

du 15 septembre au 15 décembre 2003.

55

L'autre épisode récent très important, celui du 25 novembre 2002, a été provoqué par des pluies abondantes du 23 au 25 novembre (50,4 mm à Beni Mellal, dont 34,6 mm le 24 ; 70,5 mm à Taghzirt, dont 51,5 mm le 24), lesquelles avaient été précédées de fortes précipitations du 14 au 20 octobre (141,2 mm à Beni Mellal ; 103,2 mm à Taghzirt). Les pluies du 14 novembre 2002 (91,5 mm à Beni Mellal ; 56,6 mm à Taghzirt) n'ont pas déclenché une forte crue. Elles ont seulement contribué à préparer l'épisode du 25 novembre. La modestie de la réaction de l'oued El Handak aux pluies abondantes tombées à Beni Mellal le 14 novembre 2002 montre que les ruissellements se produisant sur les surfaces impermabilisées de la ville ne suffisent pas à provoquer des inondations. Nous ne disposons pas d'informations sur les intensités à pas de temps fin pour juger du caractère éventuellement exceptionnel des pluies responsables des crues du 25 novembre 2002 et du 10 décembre 2003. En ce qui concerne les précipitations mensuelles maximales dans l'année, sur 28 années d'observation (de septembre 1975 à août 2003), novembre 2002 place l'année 2002-2003 au deuxième rang à Beni Mellal (192,0 mm – derrière mars 1991 : 210,4 mm), au septième rang à Taghzirt (173,6 mm – loin derrière mars 1991 : 266,6 mm, ou janvier 1996 : 278,4 mm). Les 96,8 mm enregistrés à El Ksiba apparaissent bien faibles, surtout comparés aux 447,6 mm mesurés en janvier 1996. Enfin, les précipitations ont été bien modestes en décembre 2003 : 107,1 mm à Beni Mellal et 124,1 mm à Taghzirt. Même pour les précipitations journalières, les précipitations enregistrées le 24 novembre 2002 (34,6 mm) et les 9 et 10 décembre 2003 (28,8 et 11,1 mm) apparaissent modestes. De septembre 1990 à décembre 2003, les précipitations journalières ont dépassé 40 mm à 14 reprises, avec un maximum de 91,5 mm le 14 novembre 2002, journée au cours de laquelle il ne s'est pas produit d'inondation. V - LES RESPONSABILITÉS HUMAINES Les études menées sur différents bassins versants marocains ont montré combien l'action

de l'homme peut constituer un facteur d'aggra-vation du risque hydrologique (A. IMAOUEN, 2001 ; B. AKDIM et al., 2001 ; K. OBDA et al., 2001). Dans le cas du bassin de l'oued El Handak, il faut distinguer deux zones distinctes : - Sur tout le bassin versant en amont de Beni

Mellal, l'impact de l'homme se manifeste essentiellement par la dégradation du couvert végétal, en liaison avec le surpâturage et l'agriculture. Les effets de cette dégradation sont évidemment importants, aussi bien pour l'hydrologie que pour l'érosion des sols. Cette évolution se manifeste certainement par des réponses hydrologiques plus rapides et plus violentes aux précipitations.

- À l'extrêmité aval du bassin versant, l'oued El

Handak traverse la ville de Beni Mellal sur cinq kilomètres, du quartier Ourbia, au sud, jusqu'à sa confluence avec l'oued Day, au nord. L'oued occupe ici un lit étroit et peu profond. Sur trois kilomètres, des murs ont été bâtis pour canaliser les écoulements. Ils se trouvent actuellement dans un état plus ou moins dégradé. Les risques d'inondation sont localisés à Beni Mellal.

1 ) Les inondations à Beni Mellal Les sorties sur le terrain lors des crues du 25 novembre 2002 et du 10 décembre 2003 ont permis de montrer le rôle joué par les ponts qui enjambent l'oued El Handak dans l'aggravation, voire même le déclenchement des inondations. Les principaux ouvrages sont indiqués dans le tableau IV. Les ponts du boulevard Mohamed V, de l'avenue Ibn Khaldoun et de l'avenue du 20 Août (Photo 3) ont des effets particulièrement impor-tants. Comme la plupart des autres ponts, ils sont sous-dimensionnés, en particulier en hauteur, le bas de leur tablier étant situé en-dessous du niveau des berges. Leur section d'écoulement est en outre réduite par des dépôts d'origine diverse (ordures, alluvions, branches). Enfin, au niveau de ces trois ponts, les sinuosités de l'oued favorisent le débordement des eaux sur les rives convexes, provoquant l'inondation de lotisse-ments en cours de viabilisation : Jnan Attahar, Azzitoun et Oumnia (Fig. 7 – Photo 4).

56

Tableau IV - Ponts sur l'oued El Handak dans la traversée de Beni Mellal (de l'amont vers l'aval).

Ponts Largeur (m) Hauteur (m) Douar Ourbia 4,50 4,00 Avenue Aït Tislit 3,00 1,20 Lotissement Qods 6,10 1,65 Bd. Mohamed V 5,30 1,50 Al Adarissa 5,90 1,00 Avenue Ibn Khaldoun 3,50 1,20 Passage piétons 3,20 1,20 Passage piétons 3,50 1,20 Quartier Oulad Hamdane 3,50 0,85 Avenue 20 Août * * * Bd. Hassan II 3,30 1,50 Aval cimetière Essabti 3,30 1,10 Lotissement Ben Kirane 5,40 1,00 Lotissement Ben Kirane 4,00 1,30 Lotissement El Massira 8,30 0,80

* : ce pont a été reconstruit en 2004 avec deux arches : celle de gauche a une largeur de 4,80 m et une hauteur de 1,40 m ; celle de droite mesure respectivement 5,60 m et 1,60 m..

Photo 3 - Le pont de l'Avenue du 20 Août le 25 novembre 2002 en fin d'épisode (les laisses de crue montrent que l'oued est monté au-dessus du niveau du pont).

57

Photo 4 - Inondation du lotissement de l'Oumnia le 10 décembre 2003.

L'obstruction des ouvrages d'art (Photo 5) est d'autant plus facile que le lit de l'oued n'est pas nettoyé après chaque crue et qu'il est largement utilisé comme dépotoir. Les ponts se transforment donc fréquemment en barrages qui

provoquent le débordement des eaux, même en présence de murs de protection le long des berges. La faible profondeur du lit, réduite parfois à 50 cm seulement, constitue un autre élément défavorable.

Photo 5 - Dépôt en amont du pont dans le quartier Al Massira après la crue du 25 novembre 2002.

58

Les eaux débordant en amont du pont du boulevard Mohamed V prennent deux directions : l'une vers l'est, vers le centre ville, inondant le boulevard Mohamed V, l'avenue Hassan II, les quartiers de Safa, de Ouafa, d'Al Motanabi et de Chaouki ; l'autre vers le nord-ouest pour inonder le quartier d'Al Grabzia, le secteur de la Faculté des Lettres et des Sciences Humaines, l'avenue Ibn Khaldoun et le Centre de la Formation Professionnelle. Les eaux qui descendent le long du boulevard Hassan II, avec une hauteur d'eau

pouvant atteindre 20 à 30 cm, rejoignent celles débordant en amont du pont de l'avenue du 20 Août, avant de s'écouler vers la gare routière. Une partie continue ensuite jusqu'à l'oued Day, en amont du quartier de Lalla Aïcha. L'autre partie se dirige vers le nord, vers le lotissement Al Massira (Fig. 7). Les quartiers d'Al Massira (Photo 6) et de Nkhila sont les secteurs les plus touchés par les inondations, car ils se situent près de la confluence de l'oued El Handak avec l'oued Day.

Photo 6 - Inondation dans le quartier Al Massira le 10 décembre 2003.

La population de Beni Mellal a augmenté de manière considérable au cours des dernières décennies : 29000 habitants en 1960, 95000 habitants en 1982, 163000 habitants en 2004. L'extension rapide et anarchique de la ville (Fig. 7) sur des zones facilement inondables (quartiers d'Al Massira et de Nkhila) et la non délimitation du domaine public hydraulique (DPH) constituent le facteur déterminant de l'aggravation du risque hydrologique. Dans les quartiers d'Azzitoun, d'Adarissa et d'Oulad Hamdane, les constructions se trouvent juste à côté du lit, les murs de certaines maisons côtoient les eaux de l'oued. Les inondations ont fait naître un sentiment de peur chez les riverains, surtout dans les quartiers d'Al Massira et de Nkhila. Mais, fort heureusement, elles n'ont, jusqu'à présent, causé aucune perte humaine. En revanche, ces épisodes

ont provoqué de gros dégâts matériels : une grande partie du pont Sidi Bou Ishak (dans le quartier d'Ourbia) a été détruite lors de la crue du 10 décembre 2003. 2 ) Part de l'influence humaine et possibilités

d'aménagements Au cours des dernières décennies, la déficience des précipitations comme la gestion agro-pastorale du milieu ont favorisé une dégradation du couvert végétal sur le bassin versant de l'oued El Handak en amont de Beni Mellal. Dans ces conditions, le cours d'eau présente parfois un comportement de type impulsionnel. Diverses solutions peuvent être envisagées pour réduire la violence des

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Faculté des Lettres

De 1986 à 1994

Bâti avant 1950

De 1950 à 1986

Réalisation en cours

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Figure 7 - La ville de Beni Mellal et les inondations du 10 décembre 2003.

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1998

Tacemmit

2248

1366

2122

BouBouBouBouBouBouBouBouBou

Afoud

Idoumaz

Douar 0 1 KM

MoujMoujMoujMoujMoujMoujMoujMoujMoujOuedOuedOuedOuedOuedOuedOuedOuedOued

∗

1325

1125

1124

1302

-n--n--n--n--n--n--n--n--n-AkkaAkkaAkkaAkkaAkkaAkkaAkkaAkkaAkkaKhlifaKhlifaKhlifaKhlifaKhlifaKhlifaKhlifaKhlifaKhlifa

Point coté

Zones à banquettes

224822482248224822482248224822482248

Limites des bassins versants

Oued El Handak

Affluents

Gabions

Zone à reboisée

Figure 8 - Proposition d'aménagement de la partie amont de l'oued El Handak.

écoulements (Fig. 8) : reboisements de certains versants en pente forte, édification de terrasses avec murs en pierre sèche dans les secteurs cultivés, mise en place de gabions ou de barrages en pierre sèche sur les talwegs. Les berges des

oueds pourraient être localement protégées par des enrochements, notamment au douar Mouj qui possède une belle oliveraie. Enfin, la présence d'un canyon dans la partie inférieure du bassin versant (Akka n'Khelifa) se prêterait à la

Zone à reboiser

Zones à équiper de banquettes

60

construction d'un barrage écrêteur de crue. Quelle que soit la violence des crues, les inondations concernent exclusivement la ville de Beni Mellal. Nous avons vu que les déborde-ments se produisent en amont de certains ponts, en rive convexe des sinuosités de l'oued. Ces ouvrages actuellement sous-calibrés produisent des embâcles qui favorisent d'autant plus les débordements que les berges ont une faible hauteur. Les dates de construction des ponts ne sont pas connues avec précision. On sait cependant que ceux en amont du pont du 20 Août sont assez anciens. Cela ne signifie pas pour autant que les inondations actuelles résultent seulement d'une modification des fonctionnements hydrologiques. En effet, les riverains nous apprennent que le lit de la rivière était, il n'y a pas si longtemps encore, bien plus profond qu'aujourd'hui (2 à 3 m). La réduction de la profondeur du lit est la conséquence d'un alluvionnement mêlé à des ordures ménagères de toutes sortes. Les riverains indiquent en outre que l'oued El Handak en crue évacuait jadis des eaux assez peu chargées en suspensions. Cette observation confirme donc une évolution des fonctionne-ments hydrosédimentaires sur le bassin versant. L'érosion hydrique qui se développe sur les versants fournit à l'oued des matériaux qui se déposent d'autant plus facilement au niveau de Beni Mellal que les ponts freinent les écou-lements et que l'utilisation du lit comme dépotoir favorise les embâcles. Dans ces conditions, les inondations deviennent fréquentes et leur extension dans la ville est d'autant plus spectaculaire que l'urbani-sation s'effectue souvent de manière sauvage, sans tenir compte des risques hydrologiques. Pour limiter les risques d'inondation à Beni Mellal, on peut préconiser : - Le remplacement des ponts actuels par des

ouvrages plus élevés. - L'interdiction de déposer des ordures dans le lit

de l'oued. - Le nettoyage fréquent du lit, en prenant soin de

traiter un linéaire suffisamment étendu (y compris sur l'oued Day) pour ne pas se contenter de repousser les problèmes vers l'aval.

- La réfection des digues existantes et l'édifi-cation de nouvelles dans les secteurs

actuellement non protégés. - L'interdiction de bâtir des habitations dans les

zones qui resteraient à risque. IV - CONCLUSION Du fait de sa situation sur un piémont, au débouché de plusieurs vallées, la ville de Beni Mellal est soumise à des risques hydrologiques. Les oueds qui descendent de l'Atlas, avec des dénivelées dépassant les 1500 m, constituent pour elle une menace permanente. L'énergie du relief, ainsi que la présence de marnes sur une partie du bassin versant, constituent des facteurs favorables à la genèse de crues violentes. Mais le facteur humain a une part importante dans les conditions offertes aux fonctionnements hydrologiques : dégradation du couvert végétal, piétinement des sols par les troupeaux, extension des zones de culture. Cette évolution se traduit non seulement par des réponses hydrologiques plus brutales, notamment en automne, saison qui connaît les précipitations les plus intenses, mais aussi par une forte érosion des sols, conséquence du développement du ruissellement superficiel sur les versants. Toutefois le risque d'inondation qui se manifeste à Beni Mellal est encore démultiplié par d'autres facteurs anthropiques, comme la présence de ponts qui freinent les écoulements et favorisent la sédimentation, l'utilisation du lit de l'oued comme dépotoir et l'extension anarchique de la ville sans délimitation du "domaine public hydraulique". La lutte contre les inondations à Beni Mellal passe par la prise en compte de toutes les composantes, naturelles et humaines, du géo-système karstique de l'Atlas de Beni Mellal. Il faudra en effet, dans le cadre d'une approche globale, tenter d'atténuer les crues en protégeant le bassin versant contre l'action des eaux de pluie et de ruissellement, mais aussi prévoir d'amé-liorer les conditions d'écoulement de l'oued au niveau de Béni Mellal, afin d'éviter que les eaux puissent facilement déborder. Un meilleur contrôle de la croissance urbaine devra en outre être mis en place, afin de tenir compte des relations entre l'urbanisation et les risques hydrologiques.

61

Remerciements : Nous remercions les responsables des Eaux et Forêts de Beni Mella, MM. Mounji EL HOUSSAIN, Berkaoui ABDERRAHMANE, Sagrane RACHID et Aissaoui HADDOU, qui ont mis un véhicule à notre disposition pour les observations de terrain. Nos remerciements vont également à M. Cherrad BRAHIM de l'Inspection de l'Aménagement du Territoire, Eaux et Environnement (Beni Mellal), et M. Mohamed EL HAKHANI, Chef du Service Hydrologique de l'Agence Hydraulique du Bassin de l'Oum-er-Rbia (Beni Mellal).. Enfin, nous sommes reconnaissants à M. Claude MARTIN de sa révision attentive du manuscrit. RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES AKDIM B., LAAOUANE M., TAOUS A. et

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62

63

LES TERRES ANCIENNEMENT CULTIVÉES DU CENTRE DU PORTUGAL : AMÉNAGEMENTS TRADITIONNELS ET IMPACTS DES

INCENDIES DE FORÊT

Luciano LOURENÇO (1)

(1) : Institut d'Études Géographiques, Faculté des Lettres, Université de Coimbra, P – 3000-447 COIMBRA, PORTUGAL. Mél. : lucianol@fl.uc.pt .

RÉSUMÉ : Les terrasses construites dans le Centre du Portugal jusque dans un passé relativement récent, sont en proie à une dégradation plus ou moins profonde. Cette dégradation est la conséquence de l'abandon des terres à la suite de l'exode rural qui a débuté au milieu du XXème siècle. Elle a été aggravée par les incendies de forêt qui sont devenus de plus en plus fréquents. Le transformation progressive de l'espace agricole en surface forestière a favorisé l'action de l'érosion mécanique sur les systèmes de terrasses, éléments patrimoniaux qui ont longtemps contribué à la stabilité des versants. La présente étude décrit les types de terrasses les plus fréquents dans les montagnes granitiques et schisteuses du Portugal Central et met en relation les dégradations observées avec les feux de forêts. Ce travail se fond dans les objectifs du projet européen TERRISC (INTERREG IIIB) sur la récupération des paysages de terrasses et la prévention des risques naturels. MOTS-CLÉS : terrasses anthropiques, feux de forêt, érosion des sols, Portugal Central, projet TERRISC. ABSTRACT : The terraces which were built in the Centre of Portugal until a recent past, undergo a more or less strong degradation. This is the consequence of the abandonment of the lands following the rural migration which began in the middle of the 20th century. It was worsened by the forest fires which became increasingly frequent. The progressive transformation of the agricultural lands towards forest areas supported the action of mechanical erosion on the terraces systems, patrimonial elements which contributed a long time to the stability of the slopes. The present study describes the most frequent types of terraces in the granitic and schistous mountains of the Centre of Portugal and connects the observed degradations with forest fires. This work is linked to the objectives of the European project TERRISC (INTERREG IIIB), on the recovery of the landscapes of terraces and the prevention of the natural risks. KEY-WORDS : man-made terraces, erosion of soils, forest fires, Central Portugal, TERRISC project. I - INTRODUCTION Parmi les nombreux effets de la destruction de la forêt par les incendies, nous avons choisi d'examiner quelques aspects ayant trait à l'érosion des terres anciennement cultivées des régions montagneuses du Centre du Portugal. Le terrain d'étude est situé au sud et au sud-est de Oliveira do Hospital, dans la Serra da Estrela, essentiellement granitique, et dans la Serra do Açor, constituée en majeure partie de schistes cristallins. Il correspond aux hauts bassins versants de petits affluents du Mondego (Fig. 1). Dans ce secteur montagneux (1993 m d'altitude au sommet de Torre), les précipitations augmentent avec l'alti-

tude : 1000 mm à Oliveira do Hospital, à 500 m d'altitude ; 1700 mm à Penhas Douradas, à 1400 m d'altitude. Les pluies sont fortement concentrées d'octobre à février. Du fait de la vigueur du relief, les zones culti-vées ont toujours occupé des superficies réduites, les zones boisées (chênes, pins maritimes, mais aussi châtaigniers) couvrant l'essentiel des terrains en pente. Aujourd'hui, même dans les parties où la topographie leur est favorable, les zones cultivées ont été largement abandonnées et ne subsistent plus que sous forme résiduelle. Les terres abandonnées ont été vouées au pin maritime, auquel s'ajoute l'eucalyptus depuis 1987. C'est dans ce contexte de déprise rurale, d'extension des pinèdes, et d'enva-hissement de la forêt par les essences du maquis,

Études de Géographie Physique, n° XXXII, 2005

64

Figure 1 - Localisation du terrain d'étude.

que les incendies de forêt prennent un caractère de plus en plus catastrophique. Le terrain d'étude en a connu plusieurs importants au cours des dernières décennies (1978, 1981, 1982, 1986, 1987 et 2001). II - LES TYPES DE TERRAINS CULTIVÉS Nous pouvons considérer trois types fondamentaux de terrains cultivés que nous dési-gnons par : - cavadas (terrains "à enfouissement"), dénomi-

nation tirant vraisemblablement son origine de la principale activité humaine, l'enfouissement (cava) ;

- quelhadas ("terrasses anthropiques") ; - et várzeas ("plaines"). Les terrains de type "à enfouissement" corres-pondent à l'exploitation de versants à pente assez douce, où le sol, peu pierreux et relativement épais, s'est généralement formé sur des dépôts d'origine périglaciaire. Les "terrasses anthropiques" sont très fré-quentes dans les zones montagneuses. Elles résultent de la construction d'étroits paliers de terre arable, échelonnés au flanc du versant, épousant les courbes de niveau et stabilisés par des murs d'appui faits de pierres empilées. Elles sont protégées des eaux d'écoulement de surface par des digues – elles-mêmes constituées de pierres, ou simplement de terre lorsque le bassin d'alimentation est petit – qui bordent les "fossés" creusés dans la roche plus

ou moins altérée pour recueillir et guider les eaux de ruissellement. Certaines de ces terrasses furent même installées sur le tracé d'anciens ruisseaux dont le lit fut dévié. Dans ce cas, les effets de l'érosion hydrique après incendie sont souvent très graves. Les "plaines" consistent essentiellement en des parcelles allongées et relativement étendues, longeant les principaux cours d'eau. Sur les cours d'eau les plus importants, elles ont été aménagées dans le lit d'inondation que l'on a protégé des crues par des digues latérales en pierres (Fig. 2-B) et parfois par de grands murs transversaux destinés à réduire l'impétuosité du courant. Sur les cours d'eau moins importants, les "plaines" ont été créées grâce à de robustes murs transversaux, certains pouvant atteindre plus d'une dizaine de mètres de hauteur et plus de deux mètres d'épaisseur au sommet. Dans ce cas de figure, en fonction de la pente des versants et de la violence des écoulements, l'homme choisissait parmi trois procédés pour "canaliser" le lit de la rivière. Le procédé le plus fréquent, rencontré le plus souvent dans les vallées dissymétriques, consistait en la percée d'un canal artificiel en bordure des terres aménagées, qui étaient protégées des crues par des digues. Normalement, les terres étaient aménagées sur le versant ensoleillé (adret), presque toujours en pente plus douce, le canal artificiel étant creusé à la base du versant ombragé (ubac), naturellement moins propice à l'agriculture (Fig. 2-A).

10 km

N

Serra do Açor

Serra da Estrela

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Plus rarement, le lit était maintenu à son emplacement originel – à quelques petits détails près –, et ceci dans deux configurations différentes. La première correspond aux versants en pente douce jusqu'aux abords immédiats du lit (où la pente est toujours très abrupte). Dans ces conditions, les eaux torrentielles étaient canalisées par des galeries souterraines ne permettant plus de reconnaître les anciennes voies d'eau (Fig. 2-C). Dans d'autres cas, lorsque la pente des deux versants est très abrupte, le lit était bordé des deux côtés par des murs d'appui, suffisamment hauts pour éviter que les crues les plus fortes n'atteignent les terres, mais aussi pour créer en contre-haut une largeur de terre suffisante pour être cultivée (Fig. 2-D). Les terres "à enfouissement" sont les plus anciennes. Moins travaillées par l'homme, elles n'étaient utilisées que pour la culture du seigle, selon un schéma de culture rotationnelle pluri-annuelle. À la période de culture du seigle succédait une période de pure jachère, durant laquelle se développait, petit à petit, la végétation naturelle, caractéristique des versants montagneux : bruyère (Erica), joncier (Chamaespartium tridentatum), ajonc (Ulex), genêt (Cytisus), etc.). Lorsque celle-ci s'était suffisamment développée, la terre était à nouveau défrichée. Les racines des bruyères étaient arrachées et transformées sur place en charbon, tandis qu'on mettait le feu au reste, feuilles et branchages, procédant ainsi au "brûlage". Dans les jours qui suivaient, on semait le seigle sur les cendres froides, puis on l'enfouissait. Restait à attendre la pousse de la céréale et à faire suivre, après la récolte, une nouvelle période de jachère. Cette technique fut aussi utilisée pour semer une grande partie de la forêt de résineux qui, avant la vague d'incendies, recouvrait les montagnes du Centre du Portugal. Ainsi les agriculteurs, à mesure qu'ils souhaitaient transformer leurs parcelles agricoles en zones forestières, procédaient-ils à un dernier "enfouissement", au cours duquel ils semaient non seulement du seigle, mais aussi du pin. Après la récolte, les jeunes pins maritimes entamaient leur lente croissance, pour finalement constituer la plus grande superficie continue d'Europe de pins maritimes. Les terrasses anthropiques étaient utilisées pour la plantation d'oliviers. Sous les arbres, on pratiquait des cultures nécessitant peu d'eau. Là où l'on disposait d'eau pour l'irrigation, on cultivait pêle-mêle, comme sur les "plaines", le maïs, la pomme de terre, la vigne en cordons ainsi que des

produits horticoles, la plupart du temps en association intime avec les arbres fruitiers. Des trois types de terrains décrits, les plus productifs, parce que disposant d'eau en abondance, étaient les "plaines". Par ailleurs, c'étaient elles qui exigeaient le moins de travail. En effet, étant planes et suffisamment étendues, elles autorisaient la plupart du temps le recours aux animaux domes-tiques, notamment aux bœufs, dans l'exécution des travaux agricoles. Sur les terrasses, au contraire, seul l'homme pouvait exécuter les travaux indis-pensables à la conservation des terres qu'il avait créées : cadabulho (creusement d'un fossé à l'aval de la terrasse avec remontée de la terre dans la partie amont), empalha (ou "empaillage", opération consistant, après le sarclage et avant la première irrigation, à disposer sur le sol un mélange d'aiguilles de pin, de paille et de bruyère) et enleira (première irrigation menée à faible débit afin de faciliter la stabilisation de l'empaillage par sarclage et foulage). La forte diminution de la population monta-gnarde enregistrée lors des dernières décennies, ainsi que la modification progressive de ses structures d'âge, sociale et professionnelle, a mené à l'abandon d'une grande partie des terres cultivées. Les terrains "à enfouissement" furent les premiers à subir les effets de cette transformation. Puis ce furent les autres terres les plus éloignées des villages. Finalement, même les propriétés jouxtant ceux-ci furent abandonnées. Les aménagements apportés par l'homme sur les versants, notamment au cours du siècle dernier, en viennent donc à être dégradés par les agents d'érosion. Ceux-ci, en effet, travaillent sans cesse à la réalisation de l'équilibre dynamique des versants, phénomène qui est encore accéléré lorsque l'homme cesse d'entretenir ces aménagements. Cette destruc-tion est particulièrement favorisée lorsque les versants situés en amont des terres cultivées se trouvent dénudés après un incendie de forêt. III - IMPACTS ÉROSIFS DES INCENDIES

DE FORÊT 1 ) Les effets de la pluie en terrain dénudé La destruction de la végétation par le feu laisse les versants montagneux exposés directement à l'action des agents d'érosion, et en particulier à

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A - Coupe schématique, simplifiée, d'une vallée en zone montagneuse, modifiée par l'homme en vue de son exploitation agricole, illustrant les types de terres et de canalisations des lits les plus fréquemment utilisés. 1 : terre "à enfouissement". 2 : terrasse. 3 : "plaine". 4 : ancien lit.. 5 : nouveau lit artificiel. 6 : digue délimitant le nouveau lit. 7 : vigne (ici en cordon ; elles pouvaient aussi être en espalier). 8 : mur d'appui perpendiculaire au lit. 9 : murs d'appui des terrasses.10 : fossé. 11 : muret ou levée de terre. 12 : profil du versant avant l'intervention anthropique. 13 : escalier de liaison entre deux terrasses. B - Utilisation du lit d'inondation pour l'aménagement de la "plaine" et canalisation du cours d'eau. C - Canalisation souterraine, sous forme de tunnel, avec exploitation agricole de la vallée sur toute sa superficie. D - Canalisation du lit à ciel ouvert, sans détournement.

Fig. 2 - Aménagements traditionnels des terrains cultivés.

7

8

13

12

1

210 11

67

l'érosion hydrique. Le feu ne fait pas que brûler le couvert végétal. Il détruit aussi les débris végétaux en voie de décomposition à la surface du sol et souvent jusqu'à la matière organique plus ou moins humifiée de la partie supérieure des profils. Les sols subissent ainsi une destruction des agrégats dans la couche superficielle ayant subi de fortes températures (G. GIOVANNINI et al., 1988). Ils sont en outre affectés en surface de phénomènes d'hydromorphie liés aux cendres (L.F. DE BANO et al., 1970). Dans ces conditions, les processus d'érosion s'intensifient fortement : - La destruction du couvert végétal et la diminution

de la perméabilité des sols favorisent l'apparition du ruissellement superficiel sur les versants (C. MARTIN et J. LAVABRE, 1997).

- L'absence de végétation se traduit par une forte

saltation pluviale (splash), laquelle mobilise des éléments qui sont ensuite entraînés par le ruissellement diffus. Celui-ci rencontre très peu d'obstacles, les débris végétaux à la surface du sol ayant été calcinés.

- La concentration de ruissellements diffus abon-

dants permet le développement de phénomènes d'incision sur les versants. Au niveau des cours d'eau, la violence des écoulements (J. LAVABRE et al., 2000) peut engendrer l'affouillement des lits ou le sapement des berges.

L'érosion augmente donc de façon alarmante à chaque fois que la végétation est détruite par le feu, non seulement sur les versants (W.G. WELLS, 1981 ; M. INBAR, 1997 ; C. MARTIN et al., 2000), mais aussi parfois le long des cours d'eau. Cette augmentation est particulièrement sensible lorsque les formations superficielles sont épaisses et ont une texture fine, et qu'elles subissent des précipitations très intenses. 2 ) Différences de comportement selon les

terrains Pour des précipitations sans caractère d'agres-sivité exceptionnel tombant sur des sols incendiés, il n'y a guère que les terrains "à enfouissement", abandonnés depuis plus longtemps et moins aménagés par l'homme, donc moins bien protégés, qui souffrent systématiquement de phénomènes d'érosion (Photo 1). Les autres types de terrains sont beaucoup moins souvent touchés, et essen-tiellement lors de pluies très intenses.

Les phénomènes d'érosion résultant de précipitations "normales" n'en sont pas moins relativement fréquents dans les zones montagneuses du Centre du Portugal et les effets qu'ils entraînent ont très souvent de pénibles conséquences pour la population montagnarde, notamment lorsque les routes coupées aggravent leur isolement, déjà grand (Photo 2). Si, pour les terrains "à enfouissement", on peut exclusivement imputer les effets érosifs à la destruction du couvert végétal par le feu, dans les autres cas, il faut aussi incriminer l'abandon des terres, qui se traduit en particulier par l'absence de nettoyage des voies d'eau qui les longent. Lorsque les précipitations sont particu-lièrement intenses, le ruissellement à la surface des versants est abondant sur pente forte. En se concentrant, il balaie tout sur son passage, jusqu'à des arbres entiers qui provoquent souvent l'obstruction des cours d'eau. Les lits n'étant pas entretenus, une grande partie de la charge solide transportée se trouve alors bloquée, mélangée à toutes sortes de détritus, plastiques, boîtes de conserve, ferrailles, abandonnés par l'homme. Les voies d'eau étant obstruées, les eaux franchissent les digues, provoquant des ouvertures proportionnelles à leur volume, creusant des ravines parfois très profondes dans les anciennes terres cultivées, détruisant les murs d'appui, et par conséquent les paliers eux-mêmes (Photos 3 à 7). La concentration des eaux étant accélérée en terrain incendié, les pointes de crue sont beaucoup plus fortes, ce qui peut avoir des conséquences dommageables sur les terres longeant les cours d'eau. Les zones les plus affectées correspondent naturellement à celles qui ont été dévastées par les feux de forêt. Des situations particulièrement graves ont été enregistrées en 1988, près de la limite entre les communes d'Arganil et d'Oliveira do Hospital (L. LOURENÇO, 1988 et 1989). Ces événements particulièrement violents se déchaînent souvent lors de circonstances excep-tionnelles, mais le processus de destruction des aménagements s'inscrit dans la tendance à un retour naturel au profil du versant avant l'intervention anthropique. Les grandes quantités de matériaux arrachés, notamment sur les anciennes terres "à

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Photo 1 - Ravines sur une ancienne terre "à enfouissement" de la commune de Góis.

Photo 2 - Route forestière de Sobral Gordo à Agrual entaillée par un affluent de la Mourísia.

69

Photo 3 - Rupture de digue avec dépôt de matériaux sur des terrasses anthropiques (A), destruction

des murs d'appui (B) et érosion des sols (C) dans la vallée de la Moura.

Photo 4 - Creusement (A) et dépôt de matériaux (B) sur une terre cultivée longeant la Sorgaçosa, lors d'une rupture de digue plus en amont. À droite sur la photo, on distingue la digue et le canal artificiel réalisés pour le détournement des eaux de la rivière.

A

Digue

70

Photo 5 - Dépôt de matériaux sur une ancienne terre cultivée, plantée maintenant d'eucalyptus,

dans la Quinta de Belide (commune de Góis), à la suite de la rupture de la digue en amont de la partie visible à droite.

Photo 6 - Rupture de digue (A) et érosion d'une terre cultivée (B) bordée par la digue à Sorgaçosa. On distingue un jeune oranger couché (C) qui a été arraché par les eaux.

71

Photo 7 - Détail de la photo précédente à l'endroit où la digue s'est rompue (A). On remarque que le canal destiné à détourner les eaux des affluents de la Safra, est parfaitement propre en amont de la rupture (B), alors qu'il est presque totalement obstrué en aval par les matériaux entraînés des versants (C).

Photo 8 - Aspect des dégâts provoqués par le Pomares sur la "plaine" de la Quinta da Cal (près du village d'Avô) bien en aval du secteur touché par le feu. Les terres voisines de la

rivière ont été complètement érodées.

72

enfouissement" et sur les terrasses anthropiques, sont transportées vers l'aval, où une partie peut se déposer sur les terrains inondés. Même les phénomènes d'ablation consécutifs à la destruction de la végétation par le feu ne se limitent pas toujours aux zones brûlées. Lors de crues dont la violence a été augmentée par la mise à nu de grandes superficies, ils peuvent en effet toucher des zones agricoles situées le long des rivières en aval des zones incendiées (Photo 8 – L. LOURENÇO, 1995). Par ailleurs, plus ou moins longtemps après le feu, il est généralement procédé à la reforestation des zones incendiées. Les opérations sont menées avec des moyens mécaniques lourds qui affectent la couche superficielle du sol et détruisent une fois de plus la végétation, si tant est qu'elle ait eu le temps de se régénérer. Le sol voit à nouveau s'altérer sa structure et donc sa perméabilité, et se trouve à nouveau directement exposé au martèlement de la pluie. Dans ces conditions, les matériaux arrachés aux versants le sont en quantité beaucoup plus importante que lors de l'incendie lui-même (L. LOURENÇO et R. MONTEIRO, 1989 ; L. LOU-RENÇO et al., 1990).

IV - CONCLUSION Les effets érosifs des feux de forêt découlent, bien sûr, de la destruction du couvert végétal, laquelle laisse le sol sans protection contre l'impact des gouttes de pluie et le ruissellement superficiel. Les phénomènes d'érosion sont d'autant plus efficaces que les précipitations sont abondantes et, surtout, intenses. Les dégâts les plus spectaculaires concernent les aménagements créés par l'homme pour permettre à l'agriculture de se développer sur les versants. Maintenant abandonnés, ils sont voués à une destruction progressive, car les phénomènes d'érosion tendent à redonner aux versants leur profil initial. Dans ce contexte, les crises érosives déclenchées par les feux de forêt constituent des accélérateurs de la dégradation des dispositifs anthropiques. Les recherches sur l'impact des incendies de forêt sur les terrains anciennement cultivées du Portugal Central sont actuellement poursuivies dans le cadre du projet INTERREG IIIB SUDEO "TERRISC" ("Récupération de paysages en terras-ses et prévention des risques naturels") piloté par le FODESMA à Majorque.

Remerciements : L'auteur remercie vivement la Commission Nationale Spécialisée dans les Feux de Forêts pour le soutien apporté à ce travail. Il est en outre reconnaissant à Madame Béatrice LARDINOY pour la traduction en français, à Monsieur Fernando COROADO pour la réalisation de la figure 2 et à Monsieur Claude MARTIN pour ses conseils et son aide lors de la révision du texte. RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES DE BANO L.F., MANN L.D. et HAMILTON D.A.

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74

75

CONTRIBUTION À LA SPATIALISATION DU MODÈLE OPÉRATIONNEL DE PRÉVISION DES CRUES ÉCLAIR ALHTAÏR

Pierre-Alain AYRAL (1), Sophie SAUVAGNARGUES-LESAGE (1) et François BRESSAND (2) (1) : École des Mines d'Alès, Centre de Recherche LGEI, 6 avenue de Clavières, 30319 ALÈS.

Mél. : pierre-alain.ayral@ema.fr . (2) : Direction Départementale de l'Équipement du Gard, Service d'Annonce des Crues, 89 rue Weber,

30907 NÎMES. RÉSUMÉ : Le modèle de prévision des crues ALHTAÏR est développé depuis bientôt cinq ans par le Service d'Annonce des Crues du Gard (SAC-30). Ce modèle, à vocation opérationnelle, a pour finalité la production d'un hydrogramme de crue en temps réel en tout point choisi comme exutoire dans la zone sous surveillance du SAC-30. Deux versions de ce modèle de prévision de crue existent. La première version, ALHTAÏR en mode "bassin versant", permet un calage des paramètres du modèle par bassin versant étudié. La seconde, ALHTAÏR en mode "spatialisé", permet de réaliser un calage en fonction de caractéristiques telles que la capacité d'infiltration des sols. Cet article fait état de la contribution à l'établissement de cette version du modèle de prévision de crue. Une double approche, expérimentale et spatiale, a été mise en place pour entreprendre cette démarche. Une cartographie de la perméabilité des sols sur le bassin versant test du Gardon d'Anduze a été réalisée. Les tests effectués avec la version spatialisée d'ALHTAÏR montrent l'intérêt d'une telle démarche, sous réserve d'affiner la méthodologie mise en place pour réaliser cette spatialisation et la calibration du modèle. Ces compléments de recherche sont indispensables pour envisager d'étendre l'utilisation d'ALHTAÏR en mode spatialisé à l'ensemble de la zone de compétence du SAC-30 et plus spécifiquement aux bassins versants non jaugés. MOTS-CLÉS : prévision de crue, crues éclair, capacité d'infiltration du sol, service de prévision des crues ABSTRACT : The flood forecasting model ALHTAÏR is developed for five years by the flood-warning service: Service d'Annonce des Crues du Gard (SAC-30). This model, with an operational orientation, aims al a flood hydrograph for each location of the rivers for the supervision area of the SAC-30, in a real time processing. Two versions of this flood forecasting model exist. The first one, ALHTAÏR in "watershed" mode, allows to affect the model parameters by catchment area. The second version, ALHTAÏR in "spatialised" mode, allows to realize a model calibration according to the catchment area characteristics such as the infiltration capacity. This paper proposes the contribution to the establishment of flash floods forecasting model version. Experimental and spatial analyses have been proposed. Cartography of the permeability on Gardon d'Anduze watershed was realized. Tests of this cartography with ALHTAÏR in "spatialised" mode show the interest of this approach provided that the methodology is refined to realize the cartography of the permeability and the model calibration. Further researches are required to consider an expansion of the use of ALHTAÏR in "spatialised" mode to the whole area under supervision of the SAC-30 and more especially to the non-gauged watersheds. KEY-WORDS : flash floods, forecasting model, infiltration capacity, flood warning service. I - INTRODUCTION Les crues rapides ou "éclair" ont provoqué des catastrophes récurrentes, durant la dernière décennie, sur l'arc méditerranéen français. Les inondations catastrophiques de Nîmes (octobre 1988), de Vaison-La-Romaine (septembre 1992),

de l'Aude (novembre 1999) et du Gard (sep-tembre 2002) viennent en témoigner. Ces crues sont engendrées par des préci-pitations intenses qui induisent : - des débits considérables : des estimations de

débits spécifiques dépassant les 30 m3/s/km2 ont été réalisées suite aux inondations des 8 et 9

Études de Géographie Physique, n° XXXII, 2005

76

septembre 2002 dans le Gard (É. GAUME et al., 2003) ;

- des temps de concentration très rapides : les rivières du bassin versant du Gardon d'Anduze (département du Gard), par exemple, présentent des temps de concentration variant de 3 à 8 heures (R. MOUSSA, 1991).

C'est pour répondre à cette situation, que le Service d'Annonce des Crues du Gard (SAC-30) a initié, en 1999, le développement du système de prévision des crues ALHTAÏR (ALarme Hydro-logique Territoriale Automatisée par Indicateur de Risque). Ce système de prévision des crues repose actuellement sur trois outils : (1) CALAMAR® qui permet d'avoir une mesure, grâce à l'imagerie radar, de la pluie qui tombe sur chaque km2 de la zone sous surveillance ; (2) HYDROKIT® qui est un logiciel destiné à caractériser les bassins versants, et qui génère automatiquement les temps de transfert de l'eau ruisselant sur tous les bassins versants du département ; (3) un modèle de prévision pluie-débit distribué, qui intègre un module de production hortonien permettant, en tout point de la zone d'étude, de déterminer la pluie efficace, c'est-à-dire celle qui participe directement à la crue, et un module de propagation qui transfère le ruissellement à l'exutoire selon les conditions déterminées par HYDROKIT®. Ce système fonctionne actuellement dans des conditions opérationnelles au SAC-30. Le retour d'expérience sur ce système a montré qu'avec un même calage de la fonction de production, il n'est pas possible de produire un hydrogramme simulé acceptable pour l'ensemble des bassins versants sous surveillance (F. BRESSAND, 2002). Deux possibilités s'offraient alors au SAC-30 en terme de dévelop-pement : - réaliser un calage spécifique de la fonction de

production par bassin versant ; - entreprendre la régionalisation des paramètres

du module de production en fonction de l'hétérogénéité des bassins versants à surveiller.

Le choix s'est porté sur la démarche de régionalisation (F. BRESSAND, 2002), dans la mesure où, à terme, l'objectif d'ALHTAÏR est de rendre compte de l'évolution du débit de crue à l'exutoire de bassins versants non jaugés. La problématique du travail de recherche est d'entreprendre la spatialisation de ce système de prévision des crues. Cet article fait état, de

manière synthétique, de ces recherches qui ont été menées, dans le cadre d'une thèse de doctorat, au Centre LGEI de l'École des Mines d'Alès (P.A. AYRAL, 2005). II – ÉTAT DES LIEUX ET

MÉTHODOLOGIES Le système de prévision des crues ALHTAÏR a pour objectif la prévision à court terme d'un hydrogramme de crue pour tout point du réseau hydrographique de la zone surveillée par le Service d'Annonce des Crues du Gard. Ce système dispose en outre d'un mode en temps différé, ce qui permet une analyse a posteriori des événements enregistrés en temps réel, et donc la vérification des calages de ce modèle pluie-débit. 1 ) Les outils du système ALTHAÏR a . Imagerie radar et logiciel CALAMAR® La donnée de pluie nécessaire au système de prévision est produite par le logiciel CALAMAR® développé par la société Rhéa®. Ce logiciel permet d'alimenter le module de production à partir d'une image radar calibrée et advectée. Cette image propose la valeur de l'intensité des précipitations pour chaque pixel de la zone d'étude (1 km2), avec un pas de temps de cinq minutes. La zone sous surveillance du SAC-30 est divisée en cinq entités par CALAMAR®. Elles correspondent à la partie amont des bassins versants des Gardons et de la Cèze, à la partie aval de ces mêmes bassins versants, au bassin versant du Vidourle, au bassin du Vistre, et enfin aux Cadereaux de la ville de Nîmes. L'image radar est calibrée, à partir des mesures pluviographiques du réseau au sol du SAC-30, à l'intérieur de chacune des zones présentées précédemment. Depuis 1994, date où le SAC-30 a commencé à être alimenté en temps réel avec les images radar traitées par CALAMAR®, la méthode de calcul du coef-ficient de calibration (FC) de l'image radar a évolué. Trois phases se sont ainsi succédées : - de 1994 à 2000, le coefficient FC est imposé et

différencié pour chacune des zones CALAMAR® ;

- de 2000 à 2002, le coefficient FC est variable au pas de temps horaire, toujours en fonction des

77

zones CALAMAR® ; - depuis 2002, le coefficient FC est réactualisé

toutes les cinq minutes en fonction des trois dernières mesures pluviographiques (15 minutes), toujours en fonction des zones CALAMAR®.

b . La gestion des bassins versants avec

HYDROKIT® L'outil HYDROKIT®, développé par la société STRATEGIS®, permet l'exploitation du Modèle Numérique de Terrain (MNT) de la BD ALTI® de l'IGN®. Ainsi est-il possible : - de connaître les caractéristiques physiques d'un

bassin versant ; - de calculer les temps de concentration ; - de tracer les profils en long du talweg ;

- d'analyser le temps de transfert du bassin et de tracer les courbes d'isochrones. c . Le module de production et de transfert Le module de production d'ALHTAÏR (Fig. 1) est basé sur l'hypothèse d'un fonction-nement hortonien exprimant un refus d'infil-tration des précipitations lorsque la vitesse d'infiltration est inférieure à l'intensité des préci-pitations (R.E. HORTON, 1933). Pour chaque pas de temps (5 minutes) et au droit de chacun des pixels de la zone sous surveillance, ce module détermine : - l'infiltration instantanée ; - le volume ruisselé ; - l'écoulement hypodermique.

Ruissellement

Pluie (i)

H

si

i - f

fv

fc

f0 → f → fc

Ruissellement

Pluie (i)

H

si

i - f

fv

fc

f0 → f → fc

Écoulement de crueRuissellement

Pluie (i)

H

si

i - f

fv

fc

f0 → f → fc

Ruissellement

Pluie (i)

H

si

i - f

fv

fc

f0 → f → fc

Écoulement de crue

Figure 1 - Fonctionnement du module de production d'ALHTAÏR.

La pluie brute (i) est diminuée de la vitesse d'infiltration. La pluie efficace (qui "ruisselle" au sens hortonien) doit remplir le volume que représente la pluie d'imbibition (si) avant de participer activement à l'écoulement de crue. Au cours de l'événement, l'infiltration varie de la capacité d'infiltration initiale (f0) jusqu'à tendre vers l'infiltration profonde (fC). L'écoulement hypodermique (fV) se génère par la vidange du stockage hortonien (H) et participe à "retar-dement" aux écoulements générateurs de la crue. À la fin de l'événement, le volume d'imbibition (si) se vide par l'intermédiaire du stockage hortonien. Dans la présente étude, le fonction-nement du réservoir d'imbibition, qui représente une évolution méthodologique postérieure au

début des travaux, n'a pas été pris en compte. Sa valeur est donc fixée à 0. Le volume total ruisselé est déterminé pour chacun des pixels de la zone de calcul, puis est propagé à l'exutoire du bassin versant sous surveillance. C'est une loi de transfert "géomorpho-logique" qui permet de déterminer la vitesse de propagation selon l'équation suivante :

25,0)9)1(1( LpV ×−+=

où V est la vitesse de propagation en m/s, p la pente en %, et L la distance hydraulique à l'exutoire en km.

78

Cette loi transfère le volume de ruissel-lement total jusqu'à l'exutoire sans tenir compte des relations de voisinage qui peuvent exister entre les pixels de la zone d'étude. 2 ) Un système qui fonctionne en temps réel au

SAC-30 Le module de production d'ALHTAÏR compte donc six paramètres (f0, fC, fV, si, k et α) dont deux d'ajustements (k et α). Ces derniers sont susceptibles d'être calés en fonction du

bassin versant dont il faut évaluer le débit à l'exutoire. Le SAC-30 a réalisé un calage sur un bassin versant et a testé le jeu de paramètres sur huit bassins versants, le tout sur treize événements de fréquences plus que décennales (F. BRESSAND, 2002). L'optique qui a prévalu, était de réaliser un calage qui convienne au maximum de bassins versants. Trois paramètres du module de production étaient variables (f0, fC et fV), les trois autres (k, α et si) étaient fixés (Tab. I).

Tableau I - Calage des paramètres d'ALHTAÏR.

Les paramètres d'ALHTAÏR

f0 (mm/h) fC (mm/h) fV (mm/h) k α si (mm)

90 4 15 0,575 3 0

La majorité des hydrogrammes simulés (70 %) sont bien reconstitués avec un même jeu de paramètres (F. BRESSAND, 2002). L'événe-

ment du 3 au 5 octobre 1995 sur le bassin versant du Gardon d'Anduze en fournit un exemple (Fig. 2).

Bassin versant du Gardon d'Anduze

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

03/10/199514:24

04/10/199500:00

04/10/199509:36

04/10/199519:12

05/10/199504:48

05/10/199514:24

06/10/199500:00

Dates (TU)

Déb

it en

m3 /s

Débit observé

ALHTAÏR

Figure 2 - Hydrogrammes observés et simulés avec ALHTAÏR pour l'événement

du 3 octobre 1995 sur le bassin versant du Gardon d'Anduze.

Toutefois des incohérences importantes subsistent : - pour un même événement sur plusieurs bassins

versants différents (Fig. 2 et 3) ;

- entre un bassin versant et ses sous-bassins pour un même événement (Fig. 2 et 4) ;

- au sein d'un même bassin versant pour plusieurs événements (Fig. 2 et 5).

79

Bassin versant du Vidourle à Saint-Hippolyte-du-Fort

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

03/10/199512:00

03/10/199521:36

04/10/199507:12

04/10/199516:48

05/10/199502:24

05/10/199512:00

05/10/199521:36

Dates (TU)

Déb

it en

m3 /s

Débit observéALHTAÏR

Figure 3 - Hydrogrammes observés et simulés avec ALHTAÏR pour l'événement du 3 octobre 1995 sur le bassin versant du Vidourle à Saint-Hippolyte-du-Fort.

Bassin versant du Gardon de Mialet

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

03/10/1995 12:00 04/10/1995 00:00 04/10/1995 12:00 05/10/1995 00:00 05/10/1995 12:00 06/10/1995 00:00Dates (TU)

Déb

it en

m3 /s

Débit observé

ALHTAÏR

Bassin versant du Gardon de Saint-Jean

0

100

200

300

400

500

600

700

800

04/10/199519:12

04/10/199521:36

05/10/199500:00

05/10/199502:24

05/10/199504:48

05/10/199507:12

05/10/199509:36

Dates (TU)

Déb

it en

m3 /s

Débit observé

ALHTAÏR

Figure 4 - Hydrogrammes observés et simulés avec ALHTAÏR pour l'événement

du 3 octobre 1995 sur deux sous-bassins versants du Gardon d'Anduze.

80

Bassin versant du Gardon d'Anduze

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

23/11/199500:00

24/11/199500:00

25/11/199500:00

26/11/199500:00

27/11/199500:00

28/11/199500:00

29/11/199500:00

30/11/199500:00

01/12/199500:00

Dates (TU)

Déb

it en

m3 /s

Débit observé

ALHTAÏR

Figure 5 - Hydrogrammes observés et simulés avec ALHTAÏR pour l'événement

du 27 novembre 1995 sur le bassin versant du Gardon d'Anduze. Ces cas atypiques ont conduit le SAC-30 à développer une version spatialisée d'ALHTAÏR. L'objectif de cette version est de fixer les para-mètres du modèle en fonction de la capacité d'infiltration des sols.

3 ) Vers la spatialisation d'ALHTAÏR Une double démarche, expérimentale et spatiale, est proposée pour mener cette spatia-lisation (Fig. 6).

CALAMAR HYDROKIT

ALHTAÏR SIGInfiltration

Essais « terrain »

Prévision de crues en temps réel

CALAMAR HYDROKIT

ALHTAÏR SIGInfiltration

Essais « terrain »

Prévision de crues en temps réel

Figure 6 - Méthodologie pour la spatialisation d'ALHTAÏR.

La problématique du travail consiste en la discrétisation du territoire en fonction de la capa-cité d'infiltration des sols (paramètre essentiel du modèle) lors des épisodes pluvieux majeurs (événements entraînant une crue). Cette typologie est réalisée en tenant compte des propriétés des

sols (structure, rugosité, teneur en eau…), mais aussi de paramètres extérieurs à l'élément sol (comme l'occupation du sol ou la géologie) grâce à une démarche d'analyse spatiale appuyée sur des Systèmes d'Information Géographique (SIG). L'attribution de paramètres spécifiques à chaque

81

zone ainsi déterminée doit permettre au modèle ALTHAÏR de pondérer ses analyses de pro-duction. a . Une approche expérimentale Les mesures effectuées dans le cadre de cette étude devaient répondre à deux objectifs : - quantifier l'infiltrabilité des sols sur les zones

supposées "homogènes" préalablement identi-fiées par l'analyse spatiale et donc permettre de compléter la cartographie de ces zones ;

- apporter des éléments de compréhension de la formation des écoulements suivant une pers-pective hydrodynamique.

Pour atteindre le premier de ces objectifs, c'est l'infiltromètre double anneau qui a été retenu. Le travail a été conduit en collaboration avec le BRGM (J.F. DESPRATS et al., 2003). La capacité d'infiltration de la partie la plus super-ficielle du sol a été déterminée par des essais très courts (quelques minutes – la vitesse horaire étant calculée en utilisant l'équation de la droite de régression linéaire), de manière à permettre la différenciation des formations superficielles du point de vue de la perméabilité. La poursuite du deuxième objectif passe par l'observation des processus intervenant dans la genèse des écoulements. Un dispositif expéri-mental conçu par le SAC-30 a été adopté pour l'étude du ruissellement de surface et de l'écoule-ment hypodermique sous pluie "naturelle" et sous pluie simulée. b . Une approche spatiale Quatre étapes successives sont envisagées pour réaliser la spatialisation du module de production d'ALHTAÏR : - le choix d'une zone pilote ; - la réalisation d'une carte de la perméabilité des

sols ; - l'identification d'un jeu de paramètres du

module de production en fonction de la carto-graphie précédemment proposée ;

- le test de la version "spatialisée" d'ALHTAÏR sur un panel d'événements pluie-débit.

III - APPLICATION AU BASSIN VERSANT

DU GARDON D'ANDUZE Compte tenu de l'étendue de la zone sous

surveillance du SAC-30 (Fig. 7) qui comprend trois bassins versants principaux ayant chacun une superficie supérieure à 1000 km2, le Gardon, la Cèze et le Vidourle, une zone test a été déterminée pour entreprendre la spatialisation d'ALHTAÏR. Le choix s'est porté sur le bassin versant du Gardon d'Anduze. 1 ) Le bassin versant du Gardon d'Anduze Ce bassin versant répond à plusieurs exigences : - il rentre dans la gamme des bassins versants

pour lesquels ALHTAÏR a été conçu, à savoir des bassins versants de fortes pentes, où la relation "pluie-débit" reste prépondérante, et de surface maximum de l'ordre de 500 km2 ;

- il comprend des sous-bassins versants instru-mentés, ce qui dans un objectif de spatialisation représente un intérêt important ;

- il est soumis à nombreux enjeux, notamment à travers des activités touristiques très déve-loppées ;

- enfin, une parcelle expérimentale de simulation de pluie existait déjà en amont de ce bassin versant (parcelle expérimentale de Tour-gueille).

a . Présentation de la zone pilote La zone pilote retenue pour notre travail couvre le bassin versant du Gardon d'Anduze dont l'exutoire est fixé à la station hydrométrique implantée immédiatement en amont de la petite ville d'Anduze. Le bassin versant ainsi délimité draine une zone de 545 km2. Il comporte deux sous-bassins versants présentant également une station hydrométrique : le bassin versant du Gardon de Mialet, d'une superficie de 220 km2 (station à environ deux kilomètres en amont du village de Mialet), et celui du Gardon de Saint-Jean, d'une superficie de 100 km2 (station dans le village de Saumane). Sur le bassin versant du Gardon d'Anduze, le gradient d'altitude est très important entre le point culminant (1060 m) et l'exutoire (130 m). La vigueur du relief se traduit par une pente moyenne des versants de l'ordre de 10 %. Cette caractéristique participe à expliquer le temps de réponse très court des cours d'eau aux préci-pitations. Les sous-bassins versants du Gardon de Mialet et du Gardon de Saint-Jean possèdent un relief encore plus accusé, avec respectivement des pentes moyennes des versants de 36 et 20 %.

82

Échelle indicative

Limite du département

Limites bassin versantBassins versants étudiés

Alès

Nîmes

Anduze

Sommières

Remoulins

Bagnols sur Cèze

Uzès

Vidourle (800 km²)

Gardons (2100 km²)

Cèze (1400 km²)

Gardon d’Anduze(545 km²)

Mialet (230 km²)

Saumane (100 km²) Ners

Parcelle de Tourgueille

Parcelle de Peyrolles

Échelle indicativeÉchelle indicative

Limite du département

Limites bassin versantBassins versants étudiés

Alès

Nîmes

Anduze

Sommières

Remoulins

Bagnols sur Cèze

Uzès

Vidourle (800 km²)

Gardons (2100 km²)

Cèze (1400 km²)

Gardon d’Anduze(545 km²)

Mialet (230 km²)

Saumane (100 km²) Ners

Parcelle de Tourgueille

Parcelle de Peyrolles

Figure 7 - Carte de localisation. Le secteur d'étude est essentiellement constitué par des terrains métamorphiques : schistes, gneiss et micaschistes (Tab. II). La partie aval comprend une zone granitique et une zone de roches carbonatées du Jurassique (calcaires, dolomies et grès). Enfin, des

formations détritiques du Trias (marnes et argiles) et des alluvions du Quaternaire sont présentes. Il faut souligner le degré d'altération souvent poussé des roches métamorphiques et granitiques.

Tableau II - Répartition (en % de la surface totale) des formations géologiques sur le bassin versant du Gardon d'Anduze et ses deux sous-bassins.

Formations géologiques Répartition en (%)

Gardon d'Anduze

Gardon de Mialet

Gardon de Saint-Jean

Alluvions récentes et anciennes 2 - 0,9 Marnes et argiles 3 1 1,1 Granites 14 3 2 Calcaires, dolomies et grès 17 1 2 Schistes, micaschistes, gneiss 64 95 94 Sources : d'après les cartes géologiques numériques au 1/50000ème et 1/80000ème, BRGM®.

Il est important de noter que les bassins versants du Gardon de Mialet et du Gardon de Saint-Jean ont une lithologie plus homogène que celle de l'ensemble du bassin versant du Gardon d'Anduze, puisque les roches métamorphiques

affleurent sur plus de 90 % de leur superficie. Le bassin versant du Gardon d'Anduze est recouvert à plus de 80 % par des forêts. Les châtaigniers et les résineux sont plutôt localisés en haut de bassin, alors que les garrigues boisées

Département du Gard

Cours d'eau. Limites des bassins versants.

83

associées aux chênes verts se retrouvent plus en aval. Cette répartition s'organise selon un étagement altitudinal, doublé d'une opposition nette entre adrets et ubacs. Les zones cultivées se concentrent à l'extrémité aval du bassin versant (vignes et vergers) et à proximité des cours d'eau (prairies). Dans les zones les plus élevées, des pelouses pastorales couvrent un espace réduit (3 % de la superficie totale). Les sols, peu épais et discontinus, se répar-tissent principalement entre des rankers, des lithosols et des sols bruns. Les sols les plus profonds se trouvent en fond de vallée, ou dans des secteurs où se sont accumulées des collu-vions. b . Une base de données "pluie-débit" Les choix qui ont prévalu pour l'élaboration de cette base de données, découlent des contraintes opérationnelles du système de prévision des crues ALHTAÏR. Ainsi ce sont les

images radar calibrées et advectées en temps réel par le logiciel CALAMAR® qui ont été choisies. De même, ce sont les données limnimétriques enregistrées en temps réel au SAC-30 qui ont été collectées, sauf pour l'événement du 8 et 9 septembre 2002. Pour cet événement, les données de débit utilisées sont celles proposées par SIEE (SIEE, 2004). En effet, les données enregistrées en temps réel ne permettaient pas la recons-titution complète de l'hydrogramme de cette crue particulièrement violente. Au total, vingt événements pluviométriques importants ont été suivis depuis 1994 (date du début de l'utilisation de l'image radar au SAC-30). Ils couvrent une gamme étendue de cumuls de précipitations. Pour le Gardon d'Anduze par exemple, six événements présentent des lames d'eau précipitées moyennes sur le bassin versant proches de 200 mm ou supé-rieures, sept des lames d'eau moyennes comprises entre 100 et 150 mm et cinq des lames d'eau moyennes inférieures à 100 mm. (Fig. 8).

0

50

100

150

200

250

300

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Événements

Lam

e d'

eau

moy

enne

en

mm

Bassin du Gardon d'Anduze

Bassin du Gardon de Mialet

Bassin du Gardon de Saint-Jean

Figure 8 - Lames d'eau précipitées moyennes sur les bassins versants

lors des événements retenus. Pour la majorité des événements, les lames d'eau précipitées sont voisines sur les trois bassins versants étudiés. Des différences impor-tantes se manifestent toutefois pour cinq événe-ments (n° 3, 4, 12, 15 et 19). Les débits correspondant aux vingt événe-

ments pluviométriques considérés, n'ont pas tous pu être collectés ou reconstitués. Les débits de pointe des événements pour lesquels les hydrogrammes sont complets, sont représentés sur la figure 9.

84

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20Événements

Déb

it de

poi

nte

en m

3 /sBassin du Gardon d'Anduze

Seuil d'alerte

Seuil de pré-alerte

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20Événements

Déb

it de

poi

nte

en m

3 /s

Bassin du Gardon de Mialet

Seuil d'alerte

Seuil de pré-alerte

0

100

200

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400

500

600

700

800

900

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20Événements

Déb

it de

poi

nte

en m

3 /s

Bassin du Gardon de Saint-Jean

Seuil d'alerte

Seuil de pré-alerte

Figure 9 - Débits de pointe de crue des événements retenus.

La base de données pour le bassin versant du Gardon d'Anduze comprend les hydrogrammes de dix sept événements. Dix ont dépassé le seuil de pré-alerte, quatre ont dépassé le seuil d'alerte. Sur les sous-bassins versants du Gardon de Mialet et du Gardon de Saint-Jean, quatorze et treize hydrogrammes ont été observés respec-tivement, avec seulement deux événements ayant dépassé le seuil de pré-alerte, l'événement du 8 septembre 2002 étant le seul à avoir dépassé le niveau d'alerte. c . Un indice de fiabilité De manière à prendre la mesure des incertitudes susceptibles de peser sur les données issues de l'imagerie radar et des enregistrements limnimétriques, un indice de fiabilité a été associé à chaque événement. La construction de ce dernier passe par la combinaison de deux indices de confiance établis respectivement sur les données radar et les données limnimétriques. Ces indices de confiance sont conçus de manière qualitative et conduisent à la répartition des données suivant trois degrés de confiance : "bon", "moyen" et "faible". Pour établir un indice de confiance sur les données de pluie radar, deux types de test sont réalisés. Pour chacun des événements, une comparaison entre les cumuls radar et les cumuls

des pluviographes du réseau sol est effectuée au droit du pixel concerné. En fonction des données disponibles, cette comparaison est effectuée sur trois à huit pluviographes situés dans ou à la périphérie du bassin versant du Gardon d'Anduze. Parallèlement, une comparaison en terme d'intensité est effectuée entre l'image radar et les pluviographes du réseau sol. Cette comparaison est réalisée au pas de temps horaire sur trois à cinq pluviographes situés dans le bassin versant du Gardon d'Anduze. En ce qui concerne les débits, c'est une approche plus spatiale qui est choisie. La méthode des débits spécifiques maximaux (A. MUSY et C. HIGY, 2004) consiste à représenter les débits spécifiques de plusieurs stations d'un même bassin versant en fonction des surfaces drainées. Ces débits spécifiques doivent varier de manière inversement proportionnelle à la surface drainée à partir de laquelle ils sont calculés. La figure 10 schématise cette méthode très simple d'utilisation. Cette approche donne une représentation simultanée des débits des trois stations pour un même événement, ce qui permet une appréhension de la cohérence des données, en fonction de la position "hydrologiquement correcte" de ces débits spécifiques (A. MUSY et C. HIGY, 2004). Il ne s'agit pas, avec cette

85

Figure 10 - Méthode des débits spécifiques maximaux

(A. MUSY et C. HIGY, 2004). méthode, de proposer des débits réévalués pour un événement, mais plutôt d'apprécier dans quelle mesure les débits des trois stations étudiées sont cohérents entre eux et si l'une des stations indique a priori un débit plutôt majorant ou minorant par rapport aux deux autres.

L'agrégation des indices de confiance, attribués aux images radar opérationnelles et aux enregistrements de débit, est assurée suivant la méthode proposée dans le tableau III.

Tableau III - Agrégation des indices de fiabilité (I + D) / 2.

Débit observé (D)

Bon 100 %

Moyen 50 %

Faible 0 %

Bon 100 %

Très bon 100 %1

Bon 75 %

Moyen 50 %

Moyen 50 %

Bon 75 %

Moyen 50 %

Faible 25 %

Im

age

rada

r (I

)

Faible 0 %

Moyen 50 %

Faible 25 %

Très faible 0 %

Cinq classes d'indices de confiance sont donc proposées. À partir de cette analyse, trois événements ont été qualifiés de "très bons", quatre de "bons", deux de "moyens". Pour neuf événements, l'indice de fiabilité se révèle être "faible" ou "très faible" (P.A. AYRAL, 2005). 2 ) Les essais "in-situ" de simulation de pluie Deux parcelles expérimentales pour la mesure des écoulements ont été exploitées (voir Fig. 7). La première, sur le site de Tourgueille, était en place au début des travaux, la seconde, sur la commune de Peyrolles, a été aménagée durant la thèse. Ces deux parcelles expérimentales sont construites de manière identique. D'une surface de 10 m2, pour une longueur de 5 m, elles sont isolées des terrains alentours par des murets en

béton d'une largeur de 10 cm. Lors de l'installation de ces murets, il a été pris grand soin à ne pas modifier la structure superficielle, du sol. La profondeur des murets varie en fonction des parcelles, elle dépend de la position du substratum qui fixe la limite entre l'écoulement hypodermique et l'infiltration considérée comme profonde. En aval de la parcelle expérimentale, un système de récupération du ruissellement de surface (Photo 1) et de l'écoulement hypoder-mique (Photo 2) est mis en place. Au niveau des premiers centimètres du sol, une géo-membrane est enfoncée horizontalement, de manière à collecter cet écoulement en évitant l'infiltration au niveau du muret. Une gouttière conduit les eaux vers un bidon. Un dispositif identique est utilisé pour l'écoulement hypodermique.

86

Photo 1 - La parcelle de Tourgueille.

Photo 2 - La parcelle de Peyrolles.

Ce type de parcelle peut recevoir un dispositif de simulation de pluie (Photos 1 et 2) ou fonctionner sous pluie naturelle. C'est pour parfaire la fonctionnalité sous pluie naturelle que le site de Peyrolles a été choisi, l'UMR 6012 "ESPACE" du CNRS assurant la surveillance de plusieurs bassins versants expérimentaux sur ce même site. a . Parcelles expérimentales et protocoles Situé à 1000 m d'altitude en amont de la vallée Borgne, le site de Tourgueille a été mis en

place en 2000 par le SAC-30. La végétation du site se compose d'une forêt mixte de conifères et de châtaigniers. Les arbres dominent une strate herbacée dense, composée essentiellement de graminées (Photo 1). Les sols sont des rankers sur schistes altérés. Leur profondeur varie de 30 à 50 cm. Très riches en matière organique (teneur supérieure à 20 %), ils se caractérisent par une densité apparente très faible et par une porosité élevée (Tab. IV).

Tableau IV - Caractéristiques des sols de la parcelle de Tourgueille (A. MARCHANDISE, 2004 ; P.A. AYRAL, 2005).

Profondeur d'observation (en cm)

Densité apparente (en g/cm3)

Porosité (en %)

5 0,6 à 0,8 65

15 1 à 1,2 50 La parcelle de Tourgueille est située sur un versant en forte pente (16,7 ° – soit 30 %). Elle est isolée par des murets en béton, dont l'enfoncement dans le sol varie de 30 à 50 cm. Les écoulements sont mesurés : - sur une tranche de 0 à 5 cm pour le

ruissellement de surface ; - sur une tranche de 5 à 50 cm pour l'écoulement

hypodermique. La parcelle de Peyrolles a été implantée dans le bassin versant du Valescure, au lieu dit "Cartaou" (351 m d'altitude). Elle est couverte par une forêt mixte composée de résineux et de

châtaigniers. La strate herbacée, composée de graminées et de fougères, est abondante. La pente du versant avoisine 19,3 ° (soit 35 %). Les sols sont ici des rankers sur granite, dont les horizons A sont peu épais (30 cm), très caillouteux, riches en matière organique, de densité apparente faible et de porosité élevée. Ces rankers surmontent une arène et des roches altérées. Lors de la mise en place de la parcelle, il n'a pas été possible d'atteindre le granite sain. La profondeur des murets varie de 1,10 m en amont à 1,50 m en aval du dispositif. Des arènes granitiques d'une profondeur

87

supérieure à 2 m ont été observées en plusieurs points du bassin versant du Valescure. Sur le site de Peyrolles, les écoulements sont mesurés : - sur une tranche de 0 à 8 cm pour le

ruissellement de surface ; - sur une tranche variant de 8 cm à 1,10 ou

1,50 m pour l'écoulement hypodermique.

Une journée d'essais de simulation de pluie, par exemple celle du 11 juillet 2002 (Tab. V), suit le protocole suivant : - réalisation d'une première pluie dont l'intensité

et la durée sont toujours identiques ; - réalisation d'essais de simulations complémen-

taires de manière à préciser le fonctionnement hydrodynamique de la parcelle étudiée (dont l'intensité et la durée sont variables).

Tableau V : Essais de simulation de pluie sur la parcelle de Tourgueille le 11 juillet 2002.

Essai 1 Essai 2 Essai 3

200 mm/h pendant 1h 300 mm/h pendant 1h

200 mm/h pendant 30 min 300 mm/h pendant 30 min

50 mm/h pendant 40 min 100 mm/h pendant 10 min 150 mm/h pendant 10 min

À ce jour, dix journées d'essais au total ont été pratiquées sur les deux parcelles expéri-mentales de Tourgueille et de Peyrolles. Lors des simulations de pluie, l'intensité de la pluie simulée est réglée manuellement, les écoulements de surface et de sub-surface sont mesurés en volume en fonction du temps ; l'infiltration est déduite des mesures précédentes, par différence entre la lame d'eau précipitée et les écoulements mesurés. À titre d'exemple, la figure 11 propose les résultats de l'essai 1 du 5 juillet 2001 sur le site de Tourgueille et de l'essai 1 du 11 mai 2004 sur le site de Peyrolles. b . Résultats principaux Les résultats obtenus diffèrent sensiblement d'une parcelle à l'autre (Fig. 12). Les résultats de la parcelle expérimentale de Tourgueille se caractérisent par : - des vitesses d'infiltration très élevées

(100 mm/h) ; - un écoulement hypodermique très fort (43 à

51 % de la pluie) ; - un ruissellement de surface faible (4 à 11 % de

la pluie). La modestie du ruissellement de surface s'explique par la perméabilité des sols. En effet, ce ruissellement ne débute qu'une fois l'intensité de 150 mm/h atteinte. Cette valeur considérable, rarement atteinte sous pluies naturelles, et de toute façon jamais pendant très longtemps, ne

satisfait pas au modèle hortonien de la genèse des crues, qui pose comme condition de la production d'un ruissellement de surface des précipitations d'une intensité supérieure à la vitesse d'infil-tration dans les sols. L'importance du volume infiltré en profondeur (40 % de la pluie environ) est a priori surprenante, car les schistes sont généralement considérés comme imperméables (R. MOUSSA, 1991). Elle trouve son origine dans le degré d'altération de la partie superficielle des roches. Il faut également tenir compte du fait que la direction de la schistosité est à la fois très redressée et parallèle à la pente topographique, ce qui favorise la pénétration des eaux en profondeur et leur évacuation vers le bas du versant (F. MARTIN et al., 2004). L'apparition systématique d'un écoulement diffus sur le talus en aval de la parcelle durant les essais vient confirmer cette hypothèse. Toutefois les écoulements sur ce talus sont relativement peu abondants au regard des précipitations générées sur la parcelle. Ainsi, soit l'épaisseur des schistes altérés est supérieure à celle du talus, soit le sol est capable de stocker une partie très importante du volume d'eau. Les coefficients d'écoulement hypoder-mique, évalués au pas de temps de la minute (volume de l'écoulement dans le sol rapporté à la lame d'eau précipitée), représentent jusqu'à 60 % de la pluie en fin de simulation (Fig. 13).

88

Essai n°1 - Le 05 Juillet 2001 - Tourgueille (T-J1E1)

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0:00:00 0:28:48 0:57:36 1:26:24 1:55:12 2:24:00 2:52:48

Heures

Inte

nsité

en

mm

/h

PrécipitationsInfiltrationEcoulement hypodermiqueRuissellement de surface

200 mm/h 300 mm/h

Essai n°1 - Le 11 mai 2004 - Peyrolles (P-J3E1)

0

50

100

150

200

250

300

350

0:00:00 0:28:48 0:57:36 1:26:24 1:55:12 2:24:00 2:52:48

Heures

Inte

nsité

en

mm

/h

PrécipitationsInfiltrationEcoulement hypodermiqueRuissellement de surface

200 mm/h

300 mm/h

Figure 11 - Essais de simulation de pluie sur la parcelle de Tourgueille et de Peyrolles.

Site de Tourgueille

0

10

20

30

40

50

60

0 1 2 3 4 5Journées d'essais

Coe

ffici

ent d

'éco

ulem

ent e

n %

CRspCEhp

Site de Peyrolles

0

10

20

30

40

50

60

0 1 2 3 4 5Journées d'essais

Coe

ffici

ent d

'éco

ulem

ent e

n % CRsp

CEhp

Figure 12 - Coefficients de ruissellement superficiel (CRsp) et d'écoulement hypodermique (CEhp)

lors des premiers essais de chaque journée.

89

Parcelle de Tourgueille

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

00:00 00:14 00:28 00:43 00:57 01:12 01:26 01:40 01:55 02:09

Heures

Coe

ffici

ent d

'éco

ulem

ent e

n %

J1E1 - 5 juillet 2001

J2E1 - 30 avril 2002

J3E1 - 11 juillet 2002

J4E1 - 3 septembre 2002

J5E1 - 15 octobre 2002

Figure 13 - Coefficients d'écoulement hypodermique.

Cet écoulement semble peu influencé par la teneur initiale en eau du sol, dans la mesure où les différentes valeurs mesurées lors de chaque journée d'essais restent du même ordre de grandeur. Le coefficient d'écoulement hypoder-mique paraît en outre indépendant de l'intensité de la pluie. Les mesures sous pluies naturelles effectuées à Tourgueille, bien que peu nom-breuses (sept épisodes), corroborent les résultats sous pluies simulées (P.A. AYRAL, 2005). Des essais avec un simulateur de pluie de type ORSTOM ont en outre été réalisés sur deux placettes (1 m2) voisines de la parcelle (A. MARCHANDISE, 2004 ; P.A. AYRAL, 2005). Le premier site expérimenté, sur une pente de 8,5 ° (soit 15 %), fournit des coefficients de ruissellement de 70 %, le second site sur une pente équivalente à celle de la parcelle (16,7 ° – 30 %), donne des résultats proches de ceux observés sur cette dernière (5% de ruissellement de surface). On peut s'interroger sur le rôle de la pente, qui pourrait favoriser la formation de l'écoulement hypodermique en régime saturé (A. MUSY et C. HIGY, 2004). Sur la parcelle de Peyrolles, les écoulements de surface et hypodermiques mesurés lors des essais 1 représentent ensemble moins de 15 % de la pluie. Ces écoulements sont restés très faibles quelle que soit l'intensité des pluies simulées. L'écoulement hypodermique représente en moyenne 10 % seulement de la pluie. Il faut

cependant relativiser ce résultat, le dispositif ne permettant la récupération des écoulements obliques que sur une tranche de matériaux épaisse de 1,50 m. Les roches altérées cohérentes, sur lesquelles vient buter le drainage per descensum, se trouvent en dessous de la limite de l'écoulement oblique intercepté par le dispositif. Dans ces conditions, la différence entre la pluie et les écoulements mesurés ne peut pas être considérée comme représentative de l'infiltration profonde. Le ruissellement de surface est extrêmement faible, le plus souvent inférieur à 1 % de la pluie. Les quatorze épisodes étudiés sous pluies naturelles fournissent des résultats différents de ceux obtenus sous pluies simulées. Des coef-ficients de ruissellement de surface de 18 % ont été observés, ainsi que des coefficients d'écou-lement hypodermique atteignant jusqu'à 35 %. Cette dernière valeur, très élevée, peut s'expliquer par le fait que les eaux circulent sur l'ensemble du versant. Ainsi, sous pluie naturelle, la profondeur du muret amont (1,10 m) étant moindre que celle du muret aval (1,50 m), ce dernier peut bloquer des circulations d'eau assez profondes, favorisant ainsi l'engorgement des sols. Les données enregistrées par les pluvio-graphes de l'UMR 6012 "ESPACE" n'ont pas encore été intégrées aux interprétations, mais elles n'ont jamais atteint les valeurs des pluies simulées, ni pour les volumes précipités, ni pour les intensités.

90

Lors des journées d'essais, des prélèvements de sol effectués à différentes profondeurs à proximité des parcelles ont permis d'évaluer la teneur en eau pondérale des sols avant la pluie. Des mesures de la teneur en eau volumique par prélèvement et des mesures TDR ont en outre été effectuées à proximité de la parcelle, en collaboration avec l'UMR Hydro-Sciences de Montpellier. Enfin, des mesures de la résistivité des sols ont été réalisées lors des dernières journées d'essais (A. MARCHANDISE, 2004). Toutefois, il semble que l'influence de la teneur en eau pourrait être plus sensible sur la parcelle de Peyrolles que sur celle de Tourgueille, au vu notamment des essais sous pluies naturelles et des résultats atypiques en rapport aux essais de simulation de pluies (P.A. AYRAL, 2005). 3 ) La spatialisation d'ALHTAÏR La spatialisation du système de prévision

des crues éclair ALHTAÏR nécessite la régionalisation des paramètres de son module de production. Pour ce faire, ces paramètres doivent être déterminés en fonction de zones homogènes au point de vue de la capacité d'infiltration des sols. La première étape de la spatialisation consiste donc dans la cartographie de ce para-mètre. a . Cartographie de la capacité d'infiltration Ce volet cartographique a été mené en collaboration avec le BRGM. Une première série de mesures effectuée sur le terrain à l'aide de l'infiltromètre double anneau, a permis de carac-tériser la perméabilité de la partie superficielle des sols en fonction de la lithologie (D. PINEL, 2002 ; J.F. DESPRATS et al., 2003 ; P.A. AYRAL et al., 2003). Cinquante essais ont été réalisés (Fig. 14). La figure 15 présente les valeurs de la capacité d'infiltration obtenues et les écarts types associés.

Faible – Alluvions sur terrasses, sols sur marnes,calcaires marneux et argileux

Moyenne – Sols sur schistes et argiles - grès

Forte – Sols sur dolomies et calcaires

Très forte – Sols sur granite et éboulis

Saumane Mialet

Anduze

Perméabilité

Essais infiltromètre

Faible – Alluvions sur terrasses, sols sur marnes,calcaires marneux et argileux

Moyenne – Sols sur schistes et argiles - grès

Forte – Sols sur dolomies et calcaires

Très forte – Sols sur granite et éboulis

Saumane Mialet

Anduze

Perméabilité

Essais infiltromètreEssais infiltromètre

Figure 14 - Cartographie de la capacité d'infiltration des sols

sur le bassin versant du Gardon d'Anduze.

91

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

Altérites sur granites,éboulis

Sols sur dolomiescalcaires

Sols sur schistes argiles - grès

Alluvions sur terrasses,sols sur marnes,

calcaires marneux etargileux

Infil

trat

ion

en m

m/s

0

400

800

1200

1600

2000

Infil

trat

ion

en m

m/h

Figure 15 - Capacités d'infiltration moyennes sur le bassin versant du Gardon d'Anduze.

Les valeurs d'infiltration mesurées sont très fortes. Elles varient entre 100 et 2000 mm/h. À l'exception de la classe des sols sur dolomies et calcaires, les mesures effectuées permettent de

dissocier chacune des formations identifiées. Une classification qualitative des sols et formations superficielles peut donc être proposée (Tab. VI).

Tableau VI – Classes de perméabilité des sols.

Formations superficielles Classes de perméabilité Alluvions sur terrasses, sols sur marnes, calcaires marneux et argileux Faible

Sols sur schistes et argiles – grès Moyenne

Sols sur dolomies et calcaires Forte

Altérites sur granite, éboulis Très forte C'est à partir de cette cartographie de la perméabilité que les paramètres du module de production d'ALHTAÏR doivent être déterminés. b . Utilité des résultats expérimentaux L'intégration des résultats expérimentaux obtenus dans le cadre de ces travaux, que ce soit au travers des essais de simulation de pluie sur les parcelles de 10 m2 ou au travers des essais avec l'infiltromètre double anneau, ne peuvent être directement utilisés pour caler les paramètres du module de production d'ALHTAÏR. Plusieurs éléments viennent expliciter cet état de fait. Les écoulements mesurés lors des protocoles expérimentaux ne rendent pas compte de la théorie de HORTON, base du module de

production d'ALHTAÏR, et les valeurs moyennes d'infiltration obtenues avec l'infiltromètre double anneau ne sont pas cohérentes avec cette même loi. D'autre part, les caractéristiques hydrody-namiques observées sur les parcelles de 10 m2 ne sont sûrement pas identiques à celles qui expliquent la formation du débit à l'exutoire de bassins versants compris entre 100 et 500 km2, sur lesquels le modèle effectue le calcul de production. L'incohérence observée entre données expérimentales et modélisation renvoie au caractère conceptuel du modèle ALHTAÏR. En effet, la fonction de production de ce modèle, bien que fondée sur une loi de production physique (déduite d'une démarche empirique – R.E. HORTON, 1933), reste un modèle

92

conceptuel au sens de B. AMBROISE (1998), de C. COSANDEY et M. ROBINSON (2000), ou bien encore de C. PERRIN (2000). Ses paramètres se comportent comme ceux de ces modèles : leur détermination résulte d'une analyse numérique plus que d'une mesure expérimentale. Une démarche empirique devrait donc per-mettre de définir le jeu de paramètres régionalisé du module de production d'ALHTAÏR. c . Proposition d'un jeu de valeurs régionalisé

pour le paramètre f0 De manière à pouvoir associer aux diffé-

rentes classes de perméabilité identifiées des paramètres du module de production, deux étapes successives ont été menées : - une analyse de la sensibilité des différents

paramètres du module de production ; - le choix d'un jeu de paramètres régionalisé. Une analyse de sensibilité des paramètres f0, fC et fV a montré l'importance prépondérante de f0 sur l'hydrogramme simulé. À titre d'illustration, la figure 16 fait état de l'influence respective des trois paramètres du module de production d'ALHTAÏR sur la reconstitution du débit de pointe.

y = -1,177x + 131

020406080

100120

0 20 40 60 80 100 120

Valeur de f0 en %

Déb

it de

poi

nte

en %

y = 0,2398x + 75,725

020406080

100120

0 20 40 60 80 100 120Valeur de fv en %

Déb

it de

poi

nte

en %

y = -0,3191x + 98,069

020406080

100120

0 20 40 60 80 100 120

Valeur de fC en %

Déb

it de

poi

nte

en %

Figure 16 - Influence de f0, fC et fV sur le débit de pointe de crue.

Au vu des tests de sensibilité effectués c'est la capacité d'infiltration initiale f0 qui influe le plus sur les débits des pics de crue. C'est donc ce paramètre du module de production qui a été choisi pour être régionalisé en premier. C'est par une démarche itérative que le choix d'une gamme de valeurs du paramètre f0 a été effectué. À partir de la cartographie de la perméabilité, un premier jeu est proposé en modifiant le calage originel du paramètre (90 mm/h). Ainsi la valeur de 90 mm/h est attribuée à la classe de perméabilité moyenne. Cette valeur est diminuée pour la zone qualifiée d'une perméabilité faible (70 mm/h). A contrario, la valeur de f0 est augmentée de 10 mm/h pour

les classes de perméabilité forte et très forte (respectivement 100 et 110 mm/h). Cette valeur de 10 mm/h résulte des variations observées lors des tests de sensibilité. Une fois la simulation effectuée sur les trois bassins versants, la comparaison des hydro-grammes simulés avec les hydrogrammes obser-vés, selon une analyse visuelle, et le critère de NASH permettent de proposer un nouveau jeu de valeurs du paramètre f0 à tester. La figure 17 présente les valeurs du critère de NASH obtenues pour chacun des tests réalisés pour un événement de référence ayant servi au calage d'ALHTAÏR dans sa version originelle par le SAC-30 (celui du 3 octobre 1995).

93

-0,60

-0,40

-0,20

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Simulations

Crit

ère

de N

ash

Bassin du Gardon d'Anduze

Bassin du Gardon de Mialet

Bassin du Gardon de Saint-Jean

Figure 17 - Valeurs du critère de NASH pour les 10 jeux de valeurs du paramètre f0 testés.

Ce sont les tests 6, 7 et 8 qui conduisent aux simulations optimums du point de vue du critère de NASH. Le jeu de paramètres 8 est en outre le plus pertinent d'après les analyses visuelles

effectuées (P.A. AYRAL, 2005). Le tableau VII présente les valeurs du paramètre f0 finalement obtenues.

Tableau VII – Valeurs de f0 en fonction des classes de perméabilité.

Classes de perméabilité

Très forte Forte Moyenne Faible

130 120 110 70 d . Tests sur la base de données Les événements retenus pour être analysés dans ce développement sont ceux ayant un indice de confiance qualifié de "très bon" et "bon", soit sept événements au final. D'une manière générale, les comparaisons entre la version initiale d'ALHTAÏR (en mode "bassin versant" et la version "spatialisée" ont été réalisées suivant cinq critères (P.A. AYRAL, 2005) : - analyse visuelle des hydrogrammes ; - le critère de NASH ; - la reconstitution des volumes écoulés ;

- la reconstitution des débits de pointe ; - la capacité du modèle à reconstituer les

dépassements des seuils de pré-alerte et d'alerte. Les résultats sont ici analysés suivant les deux critères les plus déterminants pour la prévision des crues : la reconstitution des débits de pointe et la capacité à reconstituer les dépassements des seuils de pré-alerte et d'alerte. Le tableau VIII fait état des coefficients de détermination (R²), calculés avec la droite y = x, entre les débits de pointes observés et simulés avec les deux versions d'ALHTAÏR.

Tableau VIII - Coefficients de détermination (R2), pour différentes stations, entre les débits de pointe de crue observés et simulés avec les deux versions d'ALHTAÏR.

Anduze Mialet Saumane

ALHTAÏR 0,86 0,40 0,81

ALHTAÏR "spatialisé" 0,94 0,70 0,76

94

La reconstitution des débits de pointe se trouve améliorée avec la version spatialisée d'ALHTAÏR, notamment sur le bassin versant du Gardon de Mialet. Malgré tout, une diminution du coefficient de corrélation est à noter pour le bassin versant du Gardon de Saint-Jean, diminution qui reste toutefois faible (< 5 %). ALHTAÏR est un système de prévision

opérationnel des crues éclair. À ce titre, il est pertinent de s'intéresser à sa capacité à simuler les dépassements de seuils. Les seuils de pré-alerte et d'alerte définis par le SAC-30 (Tab. IX), ont été bien évidemment choisis comme seuils d'étude. Les résultats de la comparaison entre les prévisions du modèle et les hydrogrammes observés sont portés dans le tableau X.

Tableau IX - Seuils de pré-alerte et d'alerte pour les bassins versants d'Anduze, Mialet et Saumane (données SAC-30). Anduze Mialet Saumane

Seuil de pré-alerte 600 m3/s 400 m3/s 200 m3/s

Seuil d'alerte 1200 m3/s 600 m3/s 400 m3/s Tableau X - ALHTAÏR comme indicateur de risque.

ALHTAÏR en mode "bassin versant" Ev.1 Ev.3 Ev. 4 Ev. 13 Ev. 19

Gardon d'Anduze 00:35 00:22 00:07 00:03 00:52 Gardon de Mialet FA FA FA 00:03 00:27 Pr

é-al

erte

Gardon de Saint-Jean - 00:25 nd 00:10 00:13 Gardon d'Anduze - 00:03 00:04 FA 00:29 Gardon de Mialet FA FA FA FA 00:06

Ale

rte

Saumane - 00:13 nd - 00:38 ALHTAÏR en mode "spatialisé"

Ev. 1 Ev. 3 Ev. 4 Ev. 13 Ev. 19 Gardon d'Anduze 00:47 00:10 FA 01:16 00:25 Gardon de Mialet FA FA - 00:51 00:06 Pr

é-al

erte

Gardon de Saint-Jean - 00:05 - 00:39 00:34 Gardon d'Anduze - NP NP FA 00:12 Gardon de Mialet - - - FA 00:16

Ale

rte

Gardon de Saint-Jean - NP - - 00:03 En italique : avance du modèle par rapport à l'hydrogramme observé, en heure(s) et minutes ; en gras : retard du modèle, en heure(s) et minutes ; - : pas de dépassement de seuil ; FA : fausse alerte ; NP : dépassement non prévu ; nd : absence de données.

La spatialisation du module de production d'ALHTAÏR, évaluée sur les événements consi-dérés comme fiables, entraîne la diminution de la moitié des fausses alertes, notamment sur le bassin versant du Gardon de Mialet. Hormis pour l'événement 13, les dépas-sements des seuils de pré-alerte et d'alerte sont simulés avec moins d'une heure de décalage. Les "avances" et "retards" par rapport aux débits

observés se répartissent de manière équilibrée sur ces épisodes. Enfin, le biais principal généré par cette spatialisation, en terme d'indicateur de risque, est la non prévision du dépassement du seuil d'alerte. Même si ce dépassement n'est avéré que pour deux événements, il constitue un problème majeur de cette première version d'ALHTAÏR en mode "spatialisé". Il est toutefois important de

95

noter que pour le premier de ces événements, le débit de pointe simulé par ALHTAÏR est de 1100 m3/s, ce qui reste proche des 1200 m3/s du seuil d'alerte. IV – CONCLUSION ET PERSPECTIVES Les essais réalisés sur les parcelles de Tourgueille et de Peyrolles ont permis de développer des analyses au niveau des processus qui génèrent les flux hydriques. En l'état actuel des recherches, de nombreuses limites rendent l'utilisation des résultats expérimentaux diffici-lement exploitables en terme de modélisation avec ALHTAÏR. Des éléments pertinents, issus de ces derniers, peuvent toutefois être soulignés. La part très importante de l'écoulement de sub-surface est mise en évidence sur la parcelle expérimentale de Tourgueille. Cela laisse présager que sur des versants de configuration comparable, notamment en ce qui concerne la pente, des écoulements du même type se produisent. Toutefois la vitesse de l'eau dans la tranche de sol, estimée à 1 m/min par traçage au sel (P.A. AYRAL, 2005), est insuffisante pour engendrer une crue éclair. À cet égard, il est intéressant d'émettre l'hypothèse que le temps de séjour de cette eau dans le sol est court et que très rapidement, par des processus d'exfiltration, elle se trouve canalisée dans des drains à écoulement intermittent. Les quelques observations sous pluies naturelles effectuées dans le cadre de ces travaux, semblent aller dans ce sens. Sur le site de Tourgueille, la réponse de la parcelle expérimentale sous pluies "naturelles" a confirmé les résultats obtenus avec le simulateur de pluie. A contrario, des comportements atypiques ont été mis en évidence sur la parcelle de Peyrolles. Dans ce cas, des coefficients d'écoulement hypodermique et de ruissellement de surface particulièrement élevés ont été enre-gistrés sous des pluies naturelles (jusqu'à respec-tivement 35 et 18 %). La teneur en eau initiale du sol et l'intensité des précipitations sont des éléments d'explication possibles qu'il conviendra d'étudier en détail. Même si les paramètres du module de production d'ALHTAÏR, modèle pluie-débit

conceptuel, ne sont pas directement mesurables sur le terrain, l'utilisation qualitative qui a été faite des données expérimentales constitue assurément une limite à cette étude. Des travaux de modélisation de ces résultats expérimentaux de simulation de pluies restent nécessaires pour parfaire cette étape de régionalisation. Outre la limite évoquée précédemment, l'étape de régionalisation mise en place comprend également deux limites auxquelles il conviendra de pallier. Il est intéressant, en effet, de noter qu'un seul paramètre du module de production a été régionalisé (f0). Une étude complémentaire est donc nécessaire pour entreprendre la spatia-lisation des autres paramètres (fV, fC et si). D'autre part, "un piège numérique" (C. PUECH et al., 2003) est à noter. En effet, seules les zones homogènes représentant plus de 10 % de la superficie du bassin considéré ont une influence sensible sur la simulation de l'hydrogramme. Il est donc difficile de juger de la pertinence des valeurs du paramètre f0 attribuées à des classes de perméabilité dont la répartition spatiale reste minoritaire. Cette version spatialisée fonctionne actuel-lement en temps réel au SAC-30, les données issues du retour d'expérience à venir permettront d'affiner cette dernière. En terme de perspective, une démarche similaire est d'ores et déjà amorcée sur le bassin versant de l'Avène (affluent rive gauche du Gardon d'Anduze), ce qui permettra de contrôler la pertinence des valeurs des paramètres régionalisés proposées sur le bassin versant du Gardon d'Anduze et d'approcher la problématique des bassins versants non jaugés, objectif in fine de cette version d'ALHTAÏR. Enfin, le développement des recherches sur les parcelles expérimentales passera nécessai-rement par la mesure systématique de la teneur en eau des sols, ce qui sera fait en utilisant une méthode fondée sur la variation de la résistivité électrique en fonction de l'humidité. Il est également envisagé de mesurer les écoulements de surface et hypodermique en temps réel. Sur le site de Peyrolles, cette approche devrait permet-tre, d'établir un lien entre la parcelle et les bassins versants expérimentaux gérés par l'UMR 6012 "ESPACE".

Remerciements : Les auteurs remercient Émile PELLECUER et Rémi GERVAIS (Service d'Annonce des Crues du Gard), pour la construction et la réalisation du simulateur de pluie, Jean-François

96

DESPRATS, Nathalie DORFLIGER et Christine KING (BRGM), pour la réalisation de la carte de perméabilité, Christophe BOUVIER, Jean-Louis PERRIN, Pascal BRUNET et Arthur MARCHANDISE (UMR HydroSciences, Maison des Sciences de l'Eau à Montpellier), ainsi que Claude MARTIN, Jean-François DIDON-LESCOT et Joël JOLIVET (UMR 6012 "ESPACE"), pour leur participation active à cette étude. RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES AMBROISE B. (1998) - Genèse des débits dans

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