Etude de la dynamique de fonctionnement Etude de la dynamique de fonctionnement hydrologique des bassins versants torrentiels hydrologique des bassins versants torrentiels
marneux. Apport du traçage naturelmarneux. Apport du traçage naturel
Application aux Bassins Versants de Recherche d’Expérimentation Application aux Bassins Versants de Recherche d’Expérimentation (BVRE) de Draix, Alpes-de-Haute-Provence, France(BVRE) de Draix, Alpes-de-Haute-Provence, France
Alexandre CRASAlexandre CRAS
Utilisation coordonnée des données disponibles
Enjeux de recherche
Processus deformation
des écoulements?
Grande diversité des processus (reconnue depuis
années 60-70)
Où va l’eau quand il pleut ?Quels sont les cheminsempruntés par l’eau ?
AUJOURD’HUIJUSQU’À PRESENT
Problème : complexité difficile à intégrer dans
les modèles
vision intégratrive des processus à l’échelle du BV
Objectifs
Processus deformation
des écoulements?
Organisation temporelle
Organisation spatiale
BVRE de Draix
vision dynamique
modèle perceptuel puis conceptuel de fonctionnement hydrologique
Processus d’écoulement
Décade hydrologique (années 60-70)
Formalisation
écoulement en macropores (pipe or macropore flow)
SATURATION PAR LE HAUT (infiltration excess overland
flow) = Horton
SATURATION PAR LE BAS (saturation excess surface runoff) +
zones sources variables
écoulement de subsurface (translatory flow, throughflow)
Intumescence de nappe (groundwater ridging)
Effet piston
pluie
pression
Transfert d’eau
Processus et facteurs hydrologiques
1. Forçage atmosphérique et climat
2. Conditions initiales
3. Propriétés hydrologiques et variabilité
4. Caractéristiques géométriques
FacteursVariabilité des processus contrôlée
BV : système dynamique NL complexe
Traçage – Modèle de mélange
Eau ancienne
Eau souterraine (réserve hydrologique)
Eau du sol (réserve hydrique)
Q
t
Eau ancienne
Eau nouvelle
Q
t
Eau nouvelle
Eau du sol
Eau souterraine
Q = Qp + Qe
C·Q = Cp·Qp + Qe·Ce
Mélange à 2 composantes :
Mélange à 3 composantes :
Limites des modèles de mélange
Concepts explicatifs :
effet piston & ondes cinématiques (Renshaw, 2003), échange eau matricielle et eau des macropores (McDonnell, 1990)
Conservativité Non prise en compte du transfert
« Comment les bassins stockent-ils de l’eau pendant de longues périodes et la déstockent-ils ensuite rapidement en crue? »
(Kirchner, 2003)
+
les processus de stockage-déstockage sont sans doute largement méconnus
Peu informatif : pas accès aux composantes mécaniques
+
Modèle perceptuel
D’après (Seibert & McDonnell, 2002)
Conceptualisation de réservoirs à partir d’une connaissance approfondie. Cas de Maimai (NZ)
D’après (McGlynn & McDonnell, 2002)
Modèle perceptuel Modèle conceptuel
Changement d’échelle
→ Objectif majeur de recherche : fossé entre échelle versant et grand BV
Complexité des processus
Simplification
Complexité des scénarios hydrologiques rencontrés
VersantBV
Modèle perceptuel
Cadre scientifique
BVRE de Draix gestion Cemagref
Site pilote processus érosifs et hydrologiques
Réseau d’étude Recherche
pluridisciplinaire
GIS (1998)
PNRH
Label ORE
Digne-les-Bains
La Bléone
Le Brusquet
Draix
Le Bouinenc
Site d’étudeSite d’étude
La RoubineLe Laval
Le Moulin
Cheval Blanc
Sommet de CucuyonSommet de
Couard
Crête de la Blache
Pompe
1 km
Organisation générale du paysageOrganisation générale du paysage
Domaine infra-périglaciaire (versant Cheval Blanc) : effet cryo-érosion et avalanchesDomaine infra-périglaciaire (versant Cheval Blanc) : effet cryo-érosion et avalanches
Corniche des calcaires titoniquesCorniche des calcaires titoniques
Domaine des badlandsDomaine des badlands
Surface : 0.133 haSurface : 0.133 ha
pente moyenne : 75 %pente moyenne : 75 %
Surface dénudée : 79 %Surface dénudée : 79 %
Badlands - RoubineBadlands - Roubine
Bassin de la RoubineBassin de la Roubine
Terres Noires Callovo-OxfordienTerres Noires Callovo-Oxfordien
Caractéristiques physiques et mesures
Bilan des caractéristiques physiques principales des BV
Mesures effectuées aux exutoires (d’après Richard et Mathys, 1999)
Surface (ha) % terrain nu Pente moyenne (%)
Laval 86 68 58
Moulin 8.0 54 30
Roubine 0.133 79 75
Brusquet 108 13 53
0
50
100
150
200
250
jan
vie
r
févr
ier
ma
rs
avr
il
ma
i
juin
juill
et
ao
ût
sep
tem
bre
oct
ob
re
no
vem
bre
dé
cem
bre
mm moyenne 1983-2003 année 2002
990 mm avec 200 j sans pluie
Climat et pluviométrie
-15,0
-5,0
5,0
15,0
25,0
35,0
01/01 02/03 01/05 30/06 29/08 28/10 27/12
T°C
Max TEMP Min TEMP
0°C
Influences méditerranéenne et montagnarde
+ fortes intensités instantanées
0
20
40
60
80
100
120
4/08/0412:00
4/08/0413:12
4/08/0414:24
4/08/0415:36
4/08/0416:48
4/08/0418:00
4/08/0419:12
intensité (mm/h) 5'
Année 2003
Hydrologie générale Crues violentes : Qspé ++
Ex : septembre 1994, Qpointe = 20 m3/s/km² au Laval
Episodes principaux de mai à novembre
+ orages violents et brefs en été
Temps de montée : tmontée Roubine ~ 5 min - tmontée Laval ~ 20 min - tmontée Brusquet > 30-40 min
2002
0
50
100
150
200
250
300
janv févr mars avr mai juin juil août sept oct nov déc
ETP et P en mm
ETP mensuelle P Laval
ETP2001= 780 mm
ETP2002 = 760 mm
ETP2003= 830 mm
ETP
Transports solides et érosion
Concentrations en sédiments (MES)
Laval > 300 g/l 800 g/l (août 1997)
Moulin < 400 g/l – Roubine < 300 g/l
Brusquet ~ 30 g/l
Erosion annuelle :
En moyenne : 100 t/ha/an soit 12 mm de marnes désagrégées
Effet de seuil :
P – et C ++ (800 g/l pour une pluie de 10 mm ~)
Dépôts importants :
sur le Laval >> 400 m3/an
Piézomètre ~ 4 m
Mise en place des équipements complémentairesInvestigation hydrologique et hydrochimique à différentes profondeurs
Gouttières drainantes (10 à 60 cm)
Bougies poreuses (10 à 60 cm)
Parcelles 1 m² (surface)
Répartition des équipements complémentaires
4 parcelles de 1 m² marnes nues
Station climatique 1 piézomètre et 3 bougies poreuses
remblai + strate herbacée
Site Moulin haut 3 bougies poreuses
sous couvert végétal
Site Moulin gouttières 4 gouttières
sous couvert végétal
+ 1 gouttière à l’exutoire du Laval et 2 BP au sommet de la Roubine
5 gouttières – 8 bougies poreuses – 4 parcelles – 1 piézomètre
Collecteur séquentiel de pluie
Discrétisation par pas de 3 mm
Echantillonnage
Évènement n° Date (2002) Pluie (mm)
1 3 mai 79
2 10 mai 29
3 23 mai 36
4 5 septembre 25
5 10 octobre 35
6 14-17 novembre 150
7 et 8 21-27 novembre 80
0
50
100
150
200
250
300
350
400
05/09/0212:00
05/09/0214:24
05/09/0216:48
05/09/0219:12
05/09/0221:36
06/09/0200:00
l/s 0
10
20
30
40
50
60
70
80
mm/h
Exemple d’échantillonnage
Evènements principaux échantillonnés
Évènement n°Nombre
d’échantillons(+ basses eaux)
Laval 160
Moulin 200
Roubine 265
+ échantillonnage dans les équipements complémentaires
Paramètre Qspé (l/s/ha) C25°C pH Na K Ca Mg HCO3 Cl SO4
unité l/s/ha µS/cm _ mmol/l id. id. id. mmol/l id. id.
moyenne 4,2 887 7,9 1,1 0,05 2,4 2,2 2,1 0,03 3,9
ecart type 5,8 340 0,1 0,7 0,02 0,9 1,0 0,8 0,03 2,0
CV (%) 137 38 2 70 51 40 44 37 77 52
min 0,0 211 7,5 0,1 0,00 0,6 0,4 0,9 0,01 0,4
max 36,6 1800 8,1 4,2 0,15 5,6 5,1 5,3 0,16 11,1
Bassin du Moulin
Caractéristiques hydrochimiques
Propriétés statistiques simples :
Faciès hydrochimiques
Diagramme de Piper Bassin du Moulin – 185 échantillons
Ca Cl+NO30100 0 100
0 0
100
100
Pôle calcique et magnésien
hypersulfaté
Pôle calcique et magnésien
plus bicarbonaté
→ Variabilité des proportions des anions >> celle des cations
Dynamique de minéralisation - Lixiviations
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
0 0,5 1 1,5 2
t (jours)
conductivité (µS/cm)
p = 40 µS/cm/j
t = 30’
→ 2 dynamiques de minéralisation :
Marnes pyriteuses
Régolite
Colluvions
Marnes en place
Efflorescences
Potentiel de minéralisation
++
-
+
Dynamique rapide (dissolution des sels) : potentiel de minéralisation
Dynamique plus lente et continue
0,0
1,0
2,0
3,0
4,0
5,0
6,0
0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0
Na (mmol/l)
Ca (mmol/l)
avant évènement 1 évènement 1 évènement 2évènement 3 évènement 4 évènement 5évènement 6 évènement 7 évènement 8
Bassin du Laval SiO2.126 éch. sur les 3 BV
Effet de seuil en Ca, Na
minéralisation en Na, SiO2
(cinétique lente)
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
0.00 0.05 0.10 0.15 0.20
SiO2 (mmol/l)
Ca (mmol/l)
avant évt 1 L évt 1 R évt 1L évt 3 M évt 3 R évt 3
Effet de seuil en Ca, SiO2
Basses Eaux
Minéralisation et temps de résidence
Temps de résidence ++
Eléments Na, SiO2
Hautes Eaux
Dynamique de minéralisation rapide
11,0
12,0
13,0
14,0
-3,5 -3,3 -3,1 -2,9 -2,7 -2,5
log(pCO2)
log(Ca)+2pH
Laval droite sat (25°C) droite sat (0°C) évènement 1
y = 1,15x - 0,94
R2 = 0,95
0,0
2,0
4,0
6,0
8,0
10,0
12,0
14,0
0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0
Ca+Mg (mmol/l)
SO4
(mmol/l)
Eléments Ca, Mg, SO4
Eléments Ca, HCO3
↑ SO4 = ↑ Ca
Saturation vis-à-vis de CaCO3
Bassin du Moulin
0,0
2,0
4,0
6,0
8,0
10,0
12,0
14,0
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0
HCO3 (mmol/l)
SO4 (mmol/l)
avant évènement 1 évènement 3 évènement 4
évènement 5 évènement 6 évènement 8
Basses eaux
Discrimination par SO4 et HCO3
Pôle « écoulement rapide »Q ++
Pôle « écoulement retardé »
Q --
DILUTIO
N
disponibilité en sels SO4↑, Ca ↑, HCO3 contrôlé par la saturation
Bassin du Moulin
T transit court
T transit long
↑ minéralisation par ↑ Ttransit
Altération des minéraux argileux (basses eaux)
Cinétique lente
Na+,K+, SiO2
Cinétique limitante
Bilan de la minéralisation
Cinétique rapide
Dissolution des sels
Ca, Mg, SO4
Stock limitant
Dissolution de CaCO3
Ca, HCO3
Saturation limitante
Contrôles géochimiques contributions des différents réservoirs hydrologiques
Traceurs difficiles à utiliser pour quantifier
Evolutions chimique et isotopique en crue
E + PContribution
E : évènementielle P : pré-évènementielle
E + P
eau peu minéralisée T transit court
3027
2421
18
15129
-14,0
-13,0
-12,0
-11,0
-10,0
-9,0
-8,0
-7,0
-6,0
12:00 14:24 16:48 19:12 21:36 00:00
d18O(‰)0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600TDS (mg/l)
signal pluie signal exutoire Moulin TDS (mg/l)
Bassin du Moulin, 5 septembre 2002
eau + minéralisée T transit + long
eau très minéralisée
T résidence >> Ttransit
Ecoulement rapide Ecoulement retardé Contribution ancienne
Réserve hydrologique et hydrique
1- Réserve hydrologique « profonde » :
piézomètre remblai Basses eaux (Moulin et Laval)
2- Réserve hydrique et hydrologique superficielle :
eaux des bougies poreuses (réserve hydrique) eaux des gouttières (réserve hydrologique)
Piézomètre remblai, novembre 2002
Réserve hydrologique « profonde »
Signal piézo autour de -8.0 ‰
PIEZOMETRE
Idem 2 points en mai à -8.0 ‰
-15,0
-13,0
-11,0
-9,0
-7,0
-5,0
-3,0
-1,0
10/11/2002 15/11/2002 20/11/2002 25/11/2002 30/11/2002 05/12/2002
d18O(‰)
0
20
40
60
80
100
120
140cm, mm/j
18O piézomètre 18O moyenne annuelle
18O pluie fractionnée hauteur piézo (cm)
0,0
4,0
8,0
12,0
16,0
20,0
10/11/2002 15/11/2002 20/11/2002 25/11/2002 30/11/2002 05/12/2002
inte
nsi
té (
mm
/h)
-14,0
-12,0
-10,0
-8,0
-6,0
-4,0
-2,0
0,0
01/01/02 20/02/02 11/04/02 31/05/02 20/07/02 08/09/02 28/10/02 17/12/02
d18O(‰)
pluie Basses eaux Moulin Basses Eaux Laval modèle DM
Basses eaux
2
3
1( ) exp 1
44 pp
Tg
T DD
T
0
( )t
rC t g C t d DM : Dispersion model
T = 50 semaines
Dp = 2
0,000
0,010
0,020
0,030
0,040
0,050
0 20 40 60 80 100
τ (semaines)
g(τ)
Evaporation
Q = 10* Qétiage moyen
piézo
L
M
BP6
BP3
B2B1
BP2G
BP4BP1
0.0
0.4
0.8
1.2
1.6
2.0
-10.0 -9.0 -8.0 -7.0 -6.0 -5.0
moyenne d18
O (‰)
écart type d18O (‰)
Bilan de la réserve hydrologique et hydrique
Tranche superficielle de sol ( < 30 cm)
Tranche de sol plus profonde ( > 50 cm)
Pôle « profond »
Basses eaux : mélange
Moyenne annuelle δ18O (‰)
T ~ 10 sem. Dp ~ 0.35
T ~ 50 sem. Dp ~ 2
T ~ 10 sem. Dp ~ 1
T math. ∞
T ~ 3 sem. Dp ~ 0.35
Modèle perceptuel des bassins
est
Axe de drainage naturel des
bassins
Roubine
Moulin, Laval
colluvions
régosol
1
2
régolite
diaclases
Marnes noires litées
3
1
34
Ecoulement de (sub-) surface rapide : ruissellement hortonien, écoulement dans le réseau hydrographique, macropores
Réserve hydrologique et hydrique superficielle : aquifère perché et eau matricielle (effet piston, intumescence…)
Réserve hydrologique profonde
4
2 Ecoulement de (sub-) surface retardé : écoulement en macropores ou stockés dans les colluvions
3
1, 2, 3, 4
2, 3, 4
(3), 4
1 composante Cp
Séparation d’hydrogrammes à 3 composantes
eau pré-évènementielle (Qp)
eau évènementielle rapidement transférée (QeQT
pour quickly transferred)
eau évènementielle retardée (QeDT pour delayed transferred)
Q = Qp + QeQT + Qe
DT C·Q = Cp·Qp + Qe
QT ·CeQT + Qe
DT ·CeDT
2 équations, 6 inconnues
Cp = constante
0
( )t
QTe rC t g C t d Ce
QT : fonction de transfert du signal pluie
0
' ' 't
DTe rC t t C t dt Ce
DT : lissage du signal pluie (stockage temporaire)
Moyenne du signal pluie depuis le début de l’évènement (t = 0) jusqu’à t 2 équations, 3 inconnues
Signal pluie
Solution au problème à 3 composantes
min , max ,QT DT QT DT QT QT DT DT QT DT QT DTe e e e e e e e e e e eQ Q C C Q C Q C Q Q C C
Après la pluie : QeQT = 0 on se ramène à un problème à 2 inconnues simple
Pendant la pluie : QeQT ≠ 0 manque une équation
Q = Qp + QeQT + Qe
DT C·Q = Cp·Qp + Qe
QT ·CeQT + Qe
DT ·CeDT
2
QT DTQT DT e ee e
C CQ Q
QT QT DT DTe e e eQ C Q C
QT DT QT DTe e e eQ Q C C ~
Hydrogramme unitaire
0
( )t
QTe rC t g C t d
2
3
1( ) exp 1
44 pp
Tg
T DD
T
g : Dispersion model (DM) - 2 paramètres :
1- T : temps de transit moyen
2- Dp : dispersion : Dp = D/vx
Signal pluie
Détermination des paramètres
( ) 0p
dgT
d 23 1 9p p pT T D D
T : temps de transit moyen
0
10
20
30
40
50
60
70
80
05/09/02 12:00 05/09/02 12:43 05/09/02 13:26 05/09/02 14:09
plu
ie (
mm
/h)
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
Q (
l/s
/ha
)
Tp
DM, CFF
0.00
0.02
0.04
0.06
0.08
0.10
0.12
0.0 1.0 2.0 3.0
T
Tp
/T
g()
Dp : dispersion : Dp = D/vx
2
12
1
( )1
nmeas calci i
i
nmeas measi
i
C CNash
C C
2
1
1 nmeas calci i
i
RMSE C Cn
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0
Dp
Nash
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
RMSE (per mil)
1
2345
6789101112 13 14
1516
17
-7.0
-6.0
-5.0
-4.0
-3.0
-2.0
-1.0
0.0
150 200 250 300 350 400 450 500
t (min)
d18O (‰)
0
20
40
60
80
100intensité de pluie (mm/h)pluie sortie calculée
sortie mesurée hyétogramme
Qp ~ 0
500 simulations
avec Tp = 10 min (hydrogramme)
Bassin du Moulin, 23 mai 2002
Dp = 0.35
Détermination de la dispersion
→ ne varie pas avec l’échelle seul T varie
Application de la méthode
0
5
10
15
20
25
30
35
12:00 14:24 16:48 19:12 21:36
l/s/h
a 0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
mm
/h
Q QeDT+QeQT (QeDT+QeQT)min(QeDT+QeQT)max Qp QpminQpmax hyetogram
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
12:00 14:24 16:48 19:12 21:36
0
15
30
45mm
/h
(QeDT+QeQT)/Q (QeDT+QeQT)min/Q(QeDT+QeQT)max/Q Qp/QQpmin/Q Qpmax/Qhyetogram
Bassin du Moulin, 5 septembre 2002
Runoff (mm)% of total runoff
Min Mean Max
QeDT + Qe
QT 9.057%
9.460%
9.862%
Qp5.9
38%6.3
40%6.7
43%
Q 15.7
Lames écoulées et proportions des différentes contributions
60
40
Bilan des évènements
Évènement n° Pluie (mm)Eau évènementielle Eau pré-évènementielle
min moy max min moy max
1 79 100 0
2 29 17 19 23 77 81 83
3 36 100 0
4 25 57 60 62 38 40 43
5 35 77 86 97 3 14 23
6 150 74 82 87 13 18 26
7 30 20 22 24 76 78 80
8 50 28 43 57 43 57 72
Eau évènementielle exclusivement
Eau évènementielle minoritaire (~ 20 %)Large incertitude + contribution équivalente
Eau évènementielle majoritaire (60 à 80 %)
Modèle conceptuel des BV
Qp, Cp
Réserve hydrologique et hydrique
0
' ' 't
DTe rC t t C t dt
Stockage temporaire
QeDT, Ce
DT
P, Cr ENTREE
Q, C SORTIE
0
( )t
QTe rC t g C t d
Fonction de transfert
QeQT, Ce
QT
DM, CFF
0.00
0.02
0.04
0.06
0.08
0.10
0.12
0.0 1.0 2.0 3.0
T
Tp
obtenu à partir de l’expérimentation
Dp obtenu par calage
T lié à Tp obtenu à partir de l’hydrologie
Conclusion
Méthode originale de séparation d’hydrogrammes
Confrontation avec des modèles opérationnels - transfert vers d’autres bassins dans le cadre de la nouvelle décade PUB (bassins non jaugés)
Elaboration d’un modèle perceptuel puis conceptuel à partir d’expériences de terrain
→ 1 seul paramètre à caler
→ Valable et applicable pour d’autres bassins (contexte torrentiel marneux)
→ autres paramètres déduits de l’expérimentation
Merci pour votre attention !!!Merci pour votre attention !!!
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