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LA DYNAMIQUE DU CYCLE DE L'EAU DANS UN BASSIN VERSANT = Praeessus, Facteurs, Mo

LA DYNAMIQUE DU CYCLE DE L'EAU DANS UN BASSIN VERSANT = Praeessus, Facteurs, Modèiles - (deuxième édition) Bruno Ambroise TEMPUS S-JEP 09781195 OFFICE FEDERAL DE L'EDUCATION " GESTION ET PROTECTION ET DE LA SCIENCE 1 SUISSE DE LA RESSOURCE EN EAU " (NO 96.01) Editions *H*GXA*, Bucarest 1999 Pour toute commande, s'adresser à : Bruno AMBROISE Centre d'Études et de Recherches É c o - ~ é o ~ r a ~ h i ~ u e s (CEREG, EY 2047 CNRSj Université Louis Pasteur de Strasbourg, 3 rue de l'Argonne, F 67083 STRASBOURG Cedex Tél: 33 (0)3 88 45 64 41; Fax: 33 (0)3 88 41 13 59; Courriel: ambroise@geographie.u-strasbg.fr AMBROISE, BRUNO La dynamique du cycle de l'eau dans un bassin versant : processus, facteurs, modhles / Bruno Ambroise. - Ed. a 2-a. - Bucuresti : Editura *H*G*A*, 1999 p. ; cm. Bibliogr. ISBN 973-98954-2-5 Copyright O 1999. Editions *H*G*A*, Bucarest hga@opensys.ro de B à KAZ AVANT-PROPOS Cet ouvrage n'est pas un manuel d'hydrologie. Il ne reprend pas la présentation classique du cycle de l'eau par grandes composantes. II s'attache " ~ , . . plutot a presenter une v?i!nn transversale de l'hydrologie, un certain p0i~1.t de vue sur l'hydrologie; et à dégager la cohérence d'ensemble du cycle de l'eau à l'échelle du bassin versant - à l'aide de quelques concepts clés. 1 1 se veut donc complémentaire des manuels de base. Sa rédaction avait été initiée à la demande du Département de Science du Sol de l'INRA [Ambroise, 19911, et a été aussi développée pour un Chapitre d'un "Précis d'Hydrologie Continentale" en projet. Ce texte est partiellement repris dans 2 articles de la Revue des Sciences de l'Eau [Ambroise, 1998, 19991. Il reproduit un grand nombre d'illustrations (figures, tableaux) déjà publiées: certaines sont en anglais mais, étant faciles à comprendre, n'ont pas été traduites. Ne redéfinissant pas tout le vocabulaire utilisé, il s'adresse à des doctorants et chercheurs ayant déjà une certaine culture scientifique en hydrologie. Il correspond à un enseignement de 3"'le cycle donné depuis plusieurs années à des étudiants de diverses formations (ingénierie, géographie, environnement), tant en France qu'en Suisse et Roumanie. Puisse ce petit livre, malgré son style quelque peu aride, contribuer à une approche moins dogmatique mais aussi moins empirique des fonctionnements hydrologiques et de leur modélisation! Remerciements Ce travail a été en grande partie réalisé dans le cadre du Bogramme National de &cherche en fIydrologie (PNRH). Je remercie A.V. Auzet, - J. Humbert, O. Maquaire et J.L. Mercier (CEREG, Strasbourg), M. Vauclin (LTHE, Grenoble), P. Chevallier et J. Sircoulon (ORSTOM), K. Beven ( C E S , Lancaster) pour leurs corrections et suggestions à différents stades de la rédaction. Je remercie aussi A. Bouzeghaia (CEREG, Strasbourg) pour la réalisation de certaines figures, ainsi que les Maisons dtEditions qui m'ont autorisé à reproduire les illustrations déjà publiées (cf. 5 15.4). Je remercie enfin R. Drobot (UTCB, Bucarest) de m'avoir donné l'occasion de publier ce texte et d'en avoir assuré l'édition avec beaucoup de soin, A. Musy (EPFL, Lausanne) d'avoir contribué au financement de sa lere édition et M. Neagu (*H*G*A*, Bucarest) d'avoir réalisé la mise en forme définitive de ses 2 éditions. Bruno AMBROISE Strasbourg et Tiszakanyir, 1211998 et 711999 SOMMAIRE 1 . Introduction générale 2 . Introduction 3 . Approches dynamique et systémique 3.1 Bilan hydrologique ...................... . . ..... . . .............................. 3.2 Dynamique hydrologique et énergie 3.3 Approches dynamique et systémique 4 . Les processus hydrologiques .................................................... 4.1 Apports d'eau à la surface ............. .......... 4.2 Écoulements dans les versants ..................................... . . . 4.3 Écoulements sur les versants 4.4 Écoulements fluviatiles 4.5 Évaporation et évapotranspiration .......................................... 4.6 Conclusion ... 5.2 Conditions initiales: état hydrologique du bassin ........................... ...................... 5.3 Propriétés hydrologiques du milieu et leur variabilité 6 . Les interactions entre processus et facteurs .................................... 6.1 Seuils fonctionnels et valeurs caractéristiques .............................. .......................... 6.2 "Zones actives" et "zones contrihutives" variables .................... 6.3 "Périodes actives" et "périodes contributives" variables ............................................... 6.4 Conclusions ..................... . . 7 . Les couplages avec l'énergie et ia matière ..................... . . ........... 7.1 Eau et énergie ..................................................................... 7.2 Eau et matière 7.3 Zones et périodes actives et contributives .................................... 7.4 Rétroactions 8 . Fonctionnemen . . 8.1 Integration des flux ............................................................. 8.2 Décomposition des flux globaux aux limites -Traceurs .................... 8.3 Variabilité. représentativité et transposabilité ................................ 9 . Conclusions ...................... . . ................................................. ........................................ PARTIE 2: La modélisation hydrologique 105 ...................................................................... 10 .Introduction 11 . Modèles hydrologiques .......................................................... 11.1 Typologie de modèles .................................................. 11.2 Modèles empiriques globaux 11.3 Modèles conceptuels globaux ....................................... 11.4 Modèles conceptuels semi-spatialisés . . ........................ .................... 11.5 Modèles physiques spatialises . . . ............................. 11.6 Modèles physico-conceptuels semi-spatialisés ................................................... 11.7 Conclusions: choix et usage 12 . Problèmes à résoudre .... 12.1 Couplages enhe modèles ....................................... 12.2 Erreurs liées à la structure du modèle 12.2.1 Limites théoriques 12.2.2 Simplifications théoriques . . ............................................. 12.2.3 Approximations numeriques ................................... 12.2.4 Discrétisations temporelle et spatiale ...................................................... 12.3 Disponibilité des données ................................................ 12.3.1 Problèmes métrologiques 12.3.2 Problèmes méthodologiques ............................................... 12.3.3 Apports de la télédétection ........................... 12.4 Adéquation des données: hétérogénéité spatiale ............................... 12.4.1 Paramétrisation et variabilité intra-unité .......................... 12.4.2 Intégration spatiale et changement d'échelle .............................................. 12.5 Calage et validation du modèle 12.5.1 Calage et analyse de sensibilité .. . . . . 12.5.2 Validation multicritere .................................................. ........................ 12.6 Conclusions: Incertitude et intervalle de confiance ...................... . . ............................................................... 14.1 Références citees ............................................................. 14.2 Manuels généraux 15 . Liste des illustrations ............................................................. ......................................................................... 15.1 Encadrés ......................................................................... 15.2 Tableaux 15.3 Figures .......................................................................... ....................................................... 15.4 Crédits des illustrations INTRODUCTION GENERALE Dans l'étude du cycle de l'eau et des flux couplés (énergie, solutés, sédiments, biomasse, ...), le bassin versant s'impose - surtout en montagne - comme une unité fonctionnelle fondamentale, et donc comme une unité de base pour la gestion, l'aménagement et la protection des ressources en eau. Intéressant par les possibilités de bilan qu'il offre, le concept de bassin versant - surface drainée par un cours d'eau, en amont d'un point définissant son exutoire - est également intégrateur, dans la mesure où il s'applique à une large gamme d'échelles spatiales (des bassins élémentaires jusqu'aux bassins des grands fleuves) ainsi qu'à la plupart des types de milieux (bassins urbains ou mraux, agricoles ou forestiers, ... ; bassins particuliers de lac, de nappe, de karst,...). Aussi n'est-il pas étonnant qu'un important effort de recherche ait été entrepris depuis une trentaine d'années pour étudier en détail le cycle de l'eau à l'échelle du bassin versant. L'extrême imbrication des aspects physiques, chimiques et biologiques, leur grande variabilité spatiale et temporelle, l'impact croissant des activités humaines rendent cependant complexes l'étude et la modélisation du fonctionnement hydrologique des bassins versants. De nombreuses lacunes subsistent dans nos connaissances, du fait notamment de l'important hiatus restant entre les trois principales directions dans lesquelles se sont développées ces recherches [Ambroise et al., 19821: les hydrologues, dépassant l'approche globale et descriptive classique des bassins versants, ont progressivement accordé plus d'attention aux mécanismes de transferts hydriques à l'intérieur des bassins, mais en se contentant encore trop souvent d'une approche empirique globalisante; les physiciens de la basse atmosphère et du sol, les géochimistes, les écopbysiologistes, les bioclimatologues ont exploré les mécanismes régissant les flux d'eau, d'énergie et de matière dans le système sol-plante- atmosphère, mais en se limitant le plus souvent à l'étude de stations ou de parcelles homogènes et horizontales, et à des pas de temps courts, du fait de la complexité des modèles théoriques obtenus; les géomorpbologues, les pédologues, les écologistes se sont davantage intéressés à l'analyse morphogénétique et à la répartition spatiale des formations superficielles et végétales à l'échelle du paysage, en adoptant une approche naturaliste proche de la réalité concrète mais généralement peu quantifiée et de ce fait difficile à intégrer telle quelle dans des modèles. En fait, ces trois approches apparaissent comme également nécessaires et comme complémentaires. Ce n'est qu'en les combinant pour tirer un meilleur parti de tous les acquis, que de nouveaux progrès pourront être réalisés dans notre compréhension du milieu naturel, dans notre aptitude à simuler par modèle son fonctionnement et l'impact de toute modification par l'homme. Cette synthèse bibliographique fait le point des recherches sur le cycle de l'eau à l'échelle du bassin versant. Même si beaucoup des points abordés ont une portée très générale et sont illustrés d'exemples provenant d'une large gamme de milieux et d'échelles, elle porte plutôt sur les petits bassins versants ruraux en milieu tempéré - cf. aussi par exemple Chocat [1997] pour les milieux urbanisés; ou Yair et Lavee [1985] et Scanlon et al. cl9971 pour les milieux chauds arides; ou Dubreuil [1985, 19861, Bonell et Balek [1993] et Chevallier et Pouyaud 119961 pour les milieux tropicaux secs et humides. Elle est organisée en deux parties: 0 la première présente les principaux processus et facteurs en jeu dans le cycle de l'eau à l'échelle du bassin versant, et certains concepts et méthodes utiles pour analyser les fonctionnement hydrologiques [Ambroise, 19981; la deuxième compare les grands types de modèles hydrologiques disponibles, et analyse les principaux problèmes restant à uploads/Geographie/ hydro-gramme.pdf