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LE BASSIN VERSANT
1.1.  LE CYCLE DE L'EAU

Une partie de l’eau précipitée retourne vers l'atmosphère, par évapotranspiration (fig. 1.1).

Le terme d'évaporation désigne les pertes en eau des nappes d'eau libres sous forme de vapeur (lacs, retenues, mares); alors que l'évapotranspiration regroupe les pertes du sol : absorption de l'eau par le couvert végétal ou animal, et restitution à l'atmosphère par transpiration.

L'évapotranspiration est liée à un certain nombre de paramètres climatiques tels que température, vent, humidité, rayonnement etc.

L'eau non restituée à l'atmosphère migre sous forme :

Si elles ne sont pas utilisées par l’homme, les eaux souterraines parviennent finalement à la mer.

Le cycle de l'eau se poursuit : c'est le milieu marin qui, par évaporation, humidifie les masses d'air véhiculées par l'alizé.

Par condensation, il y a formation de nuages, et éventuellement précipitation.

Établir le bilan en eau d’une région sur une période donnée, c'est chiffrer les quantités d’eau qui entrent et sortent des différents bassins versants qui la composent (le bassin versant d'une rivière est la zone à l'intérieur de laquelle l'eau précipitée s'écoule et converge vers la rivière).

Le bilan hydrologique d'un bassin versant peut s'exprimer schématiquement par la formule suivante:

P = E + Q + I + U + dR,

avec:

P - précipitation;

E - évaporation + évapotranspiration;

Fig. 1.1. Le cycle hydrologique.

Q - écoulement;

I - infiltration;

U - utilisation humaine;

dR - stockage.

Chacun des termes du bilan hydrologique est naturellement pondéré par divers paramètres climatiques et géographiques. Par exemple, la température est l'un des facteurs principaux du pouvoir évaporant de l’atmosphère, le relief conditionne les précipitations des masses nuageuses, et la nature de la couverture végétale influe sur les phénomènes d'interception et de transpiration.

Les durées de séjour de l'eau dans les différents compartiments du cycle sont très variables. En moyenne, elles sont de l'ordre de la semaine dans l'atmosphère, de plusieurs jours à plusieurs années dans les rivières selon la taille des bassins versants, des siècles à des millénaires dans les grands aquifères du sous-sol, d'une trentaine de siècles dans les océans.

1.2. DEFINITIONS

On appelle bassin versant d'une rivière considérée en un point donné de son cours, l'aire limitée par le contour à l'intérieur duquel l'eau précipitée se dirige vers ce point de la rivière.

L’exutoire d'un bassin est le point le plus en aval du réseau hydrographique par lequel passent toutes les eaux de ruissellement drainées par le bassin. La ligne de crête d’un bassin versant est la ligne de partage des eaux. La ligne ainsi définie, limite les bassins versants topographiques adjacents.

Cependant, le cours d'eau d'un bassin versant donné peut-être alimenté par les eaux précipitées sur un bassin topographiquement adjacent. C'est le cas provoqué par la présence d'un horizon imperméable ou d'écoulements souterrains complexes comme dans les terrains karstiques.

En fait, la figure 1.2 montre qu'en cas d'averse abondante, les eaux ruisselées pourraient rejoindre le cours d'eau du bassin adjacent tandis que les eaux infiltrées se dirigeraient vers le bassin principal.

Le tracé de la ligne de crête est une opération délicate qui se fait sur la carte topographique de la région concernée. Généralement, on utilise une carte à l'échelle 1/200 000. S'il s'agit d'un petit bassin versant, de l'ordre de quelques , on préférera des cartes topographiques au 1/50000, voire au 1/25000, et, si ces documents existent, la couverture de photos aériennes, qui en vision stéréoscopique, restitue et permet un tracé beaucoup plus précis. Une vérité terrain est toujours indispensable.

Fig. 1.2. Bassin versant topographique et bassin versant hydrogéologique.

1.3. CARACTERISTIQUES GÉOMETRIQUES

1.3.1. AIRE ET PÉRIMÈTRE

L’aire est la portion du plan délimitée par la ligne de crête, ou contour du bassin. Sa mesure est faite soit à l’aide d’un planimètre, soit par la méthode des petits carrés, et est généralement exprimée en .

Le périmètre est la longueur, généralement exprimée en km, de la ligne de contour du bassin; sa mesure est faite à l'aide d'un curvimètre. Pour certaines applications on trace le périmètre stylisé du bassin en lissant son contour.

1.3.2. INDICE DE COMPACITÉ

L'indice admis par les hydrologues pour caractériser la forme d'un bassin versant est l'indice de compacité de GRAVELIUS qui est le rapport du périmètre du bassin à celui d'un cercle de même surface.

Si A est la surface du bassin en  et P son périmètre en km, le coefficient  est égal à:

.

Le coefficient  est supérieur à 1 et d'autant plus voisin de cette valeur que le bassin est compact.

1.3.3. LE RECTANGLE ÉQUIVALENT

Cette notion a été introduite pour pouvoir comparer des bassins entre eux du point de vue de l'influence de leurs caractéristiques géométriques sur l'écoulement.

Soit L et I la longueur et la largeur du rectangle, et P et A le périmètre et l'aire du bassin versant.

On a:

d'où: L

1.4. CARACTERISTIQUES TOPOGRAPHIQUES

1.4.1. LE RELIEF

Le relief d’un bassin est souvent caractérisé par la courbe de sa répartition hypsométrique.

Elle est tracée sur la figure 1.3 en reportant en ordonnée l’altitude Y, et, en abscisse le pourcentage de la surface du bassin dont l’altitude est à supérieure ou égale à Y, rapportée à la surface totale du bassin. La répartition hypsométrique est donnée par le pourcentage de la surface comprise entre les différentes courbes de niveau à la surface totale (tab. 1.1).

Fig. 1.3. Courbe hypsométrique.

Tableau 1.1 Exemple de courbe hypsométrique


Elévation courbe de niveau (m)
Superficie entre les courbes (m²)
Pourcentage du total
Pourcentage au-dessus de la limite inférieure
170 - 300
500
2,4
100,0
300 - 400
1700
8,2
97,6
400 - 500
1900
9,2
89,4
500 - 600
2400
11,6
80,2
 
Tableau 1.1 (suite)


Elévation courbe de niveau (m)
Superficie entre les courbes (m²)
Pourcentage du total
Pourcentage au-dessus de la limite inférieure
600 - 700
3000
14,5
68,6
700 - 800
2970
14,3
54,1
800 - 900
2270
11,0
39,8
900 - 1000
2180
10,5
28,8
1000 - 1100
1500
7,2
18,3
1100 - 1200
640
3,1
11,1
1200 - 1300
610
3,0
8,0
1300 - 1400
410
2,0
5,0
- 1800
620
3,0
3,0

1.4.2. LES PENTES

On peut distinguer 4 types de pentes:

Les indices de pentes permettent, comme pour certaines caractéristiques géométriques, de comparer les bassins versants entre eux.

1.4.2.1. Pente orographique. La pente orographique caractérise le relief. Elle favorise l'élévation des masses d'air en mouvement au dessus des reliefs et provoque la condensation de l'humidité qu'elles contiennent.

1.4.2.2. La pente topographique. C'est la pente qui influence l'écoulement superficiel des eaux: ruissellement de surface et écoulement hypodermique. Elle accélère le ruissellement sur les versants et détermine en partie le temps de réponse du cours d'eau aux impulsions pluviométriques.

La pente topographique se lit et se mesure sur la carte topographique à grande échelle ( >1/100000) ou à l'aide de M.N.T.

1.4.2.3. La pente hydrographique. La pente hydrographique, ou profil en long du cours d'eau, peut-être déterminée sur la carte ou mesurée sur le terrain par un nivellement de précision. Cette pente exprimée généralement en m/km conditionne:

La pente hydrographique varie plus ou moins irrégulièrement pour un même cours d'eau selon les structures géologiques traversées et diminue en général d'amont en aval (forme concave des profils en long) (fig. 1.4).
La pente d'un cours d'eau varie beaucoup d'un type de cours d'eau à un autre: supérieurs à m/km pour les torrents fortement pentus à m/km pour les grands fleuves. Elle conditionne la forme des hydrogrammes de crue, comme le montre la figure 1.5.

Fig. 1.4. Profils en long de l’Hérault et de la Vis.

1.4.2.4. La pente stratigraphique. Elle contrôle le chemin des eaux infiltrées qui alimentent les aquifères. Elle détermine la direction de l'écoulement des eaux souterraines.

Fig. 1.5. Rôle de la pente sur la forme de l’hydrogramme.

1.4.2.5. Les indices de pente :

L: Longueur du rectangle équivalent,

où  représente la fraction en % de la surface A comprise entre deux courbes de niveau voisines distantes de .

.L'indice global est égal à:
1.5. LES CARACTERISTIQUES DU RESEAU HYDROGRAPHIQUES

Le réseau hydrographique est l'ensemble des chenaux qui drainent les eaux de surface vers l'exutoire du bassin versant.

Un chenal peut-être défini comme l'inscription permanente dans l'espace d'un écoulement concentré plus ou moins permanent. A l'amont de tout chenal, les processus hydrologiques sont aréolaires, spatiaux, c'est-à-dire qu'ils intéressent une surface et non une ligne; dans le chenal ils deviennent linéaires.

Dans un bassin versant les chenaux sont organisés, hiérarchisés en un réseau qui concentre les eaux des rus dans les ruisseaux, celles des ruisseaux dans les rivières, celles des rivières dans les fleuves.

Un réseau hydrographique est donc l'ensemble des cours d'eau, affluents et sous-affluents d'une rivière ou d'un même fleuve. A l'état naturel tous les réseaux sont hiérarchisés, de nombreux auteurs ont proposé des classifications de ces réseaux.

1.5.1. CLASSIFICATION DE HORTON
Tout cours d'eau sans affluent est d'ordre 1, tout cours d'eau ayant un affluent d'ordre x est d'ordre x + 1, et garde cet ordre sur toute sa longueur. A la confluence de deux talwegs d'importance égale, on donne l'ordre supérieur au plus long.
1.5.2. CLASSIFICATION DE SCHUMM (fig. 1.6)
Est d'ordre x + 1 tout tronçon de rivière formé par la réunion de deux cours d'eau d'ordre x.
Fig. 1.6. Bassin versant d' ordre 4 (classification de SCHUMM).
1.5.3. RAPPORT DE CONFLUENCE
Le rapport de confluence  est égal au quotient du nombre de talwegs d'ordre x par celui des talwegs d'ordre supérieur (x + 1).

Les réseaux hydrographiques sont toujours dendritiques, c'est-à-dire ramifiés comme les branches d'un arbre. Certains auteurs distinguent 3 principaux types de réseaux:

est faible (exemple le Nil).

Cette organisation est très importante pour la formation des crues du cours d'eau principal. Selon le type de géométrie du réseau, les crues des différents affluents confluent plus ou moins rapidement dans l'espace et dans le temps. Elles se superposent plus ou moins les unes sur les autres, ou au contraire se succèdent les unes après les autres. Les risques de superposition croissent du type peuplier au type pin parasol. Ceci est vrai pour les bassins qui sont globalement affectés par un événement pluvieux.

Les trois types présentés dans la figure 1.7 sont des types simples d'organisation de réseaux hydrographiques. L'histoire géomorphologique et la structure géologique sont à l'origine de réseaux d'organisation plus complexe.

            a)                                                  b)                            c)

Fig. 1.7. Types de bassins versants.
 

1.5.4. LA DENSITÉ DE DRAINAGE

C'est le quotient de la somme des longueurs de tous les cours d'eau  à la superficie du bassin drainé:

.

La détermination de la densité de drainage suppose d'adopter certaines conventions quant à la définition des chenaux de drainage:

1.5.5. ENDOREISME

Il s'agit d'une forme spéciale du bassin versant dans laquelle l'eau est concentrée en un point du bassin lui-même, soit sous forme de lac ou de mare, soit par accumulation souterraine.

On peut distinguer deux types d’endoréisme:

L'endoréisme peut être plus ou moins généralisé: bassins de quelques kilomètres carrés ou de plusieurs milliers de kilomètres carrés. Il est rare que dans ce dernier cas l'endoréisme soit total. Le bassin du lac Tchad peut cependant être considéré comme totalement endoréique, mais quand on atteint de telles superficies de drainage, la notion d'endoréisme est toute relative: le lac Tchad joue en fait le rôle d'une mer intérieure. Signalons enfin, que l'endoréisme est généralement caractéristique des zones arides et souvent présent dans les régions karstiques.

1.6. LE TERRAIN

Le terrain est au contact terre/atmosphère; on peut donc le schématiser par trois types de matériaux:

Ce dernier est toujours présent, alors que le sol et le manteau peuvent ne pas exister.

L'hydrologue s'intéresse à ces trois types de matériaux dans leur rapport avec le déroulement du cycle de l'eau. Nous ne traiterons pas du substratum, traité en hydrogéologie.

Le sol et le manteau exercent vis à vis de l'eau deux rôles principaux:

1.6.1. LES SOLS

Le sol agit de différentes manières sur le régime d'une rivière. Sa nature et surtout sa couleur interviennent dans le bilan thermique. Par son influence sur le développement et la nature de la végétation, il agit indirectement sur l'évapotranspiration. Ce sont surtout les propriétés mécaniques du sol qui intéressent les hydrologues.

Un sol peut-être compact (roche) et est généralement imperméable, sauf en cas de fissures, diaclases etc. Il peut être meuble, et il est alors nécessaire de l'analyser pour connaître en particulier les proportions d'éléments plus ou moins fins ou grossiers qui le composent. En effet, la dimension des particules constituant le matériau est le facteur déterminant des phénomènes d'infiltration.

En schématisant on dira que plus les particules seront d'une taille importante, plus le terrain sera perméable, c'est-à-dire favorable à l'infiltration. On adopte généralement la classification suivante:

Diamètre des particules:

Gravier > 2 mm;

Sable grossier 2 à 0,2 mm;

Sable fin 0,2 à 0,02 mm;

Limon 0,02 à 0,002 mm;

Argile < 0,002 mm.

Ceci nous amène à définir quelques termes couramment utilisés:

Perméabilité: propriété d'un milieu solide poreux de se laisser traverser par l'eau.

Infiltration: passage d'un fluide de l'extérieur vers l'intérieur d'un milieu poreux. Pour qu'il y ait infiltration, il ne suffit pas que le milieu soit perméable, il faut que la surface qui le sépare de l'extérieur le soit aussi. En Hydrologie, cette remarque est très importante compte tenu du rôle joué par l'état de la surface du sol dans le processus du ruissellement.

Absorption: en hydrologie, processus général de rétention de l'eau précipitée sur un bassin versant, lorsque cette eau est définitivement soustraite au ruissellement. Elle comprend entre autres l'infiltration.

Le sol par le biais de sa capacité de rétention capillaire et de sa perméabilité joue un rôle de filtre entre l'atmosphère et le sous-sol. Il va partager les quantités d'eau précipitées entre ruissellement, stockage, et infiltration.

Le sol se recharge par la pluie et se vidange par ressuyage et par évapotranspiration.

Le manteau, surtout caractérisé par sa macro-porosité, se recharge par les apports dus au ressuyage du sol, et se vidange par écoulement gravitaire vers les nappes ou vers le bas du versant. Cette vidange est plus ou moins rapide en fonction de la perméabilité des matériaux.

On peut dire que sol et manteau représentent deux réservoirs qui contiennent plus ou moins d'eau.

Un même épisode pluvieux survenant sur ces réservoirs à des états différents de saturation va avoir des conséquences hydrologiques très différentes.

Enfin, le sol et le manteau sont soumis aux aléas météorologiques saisonniers:

=> gel                             => imperméabilisation du bassin versant

                                      => immobilisation de l'eau

=> dégel                         => destockage des eaux gelées

=> sécheresse                => dessiccation du sol

                                     => dans certains cas déshydratation et
                                          contraction des argiles (fentes de retrait des vertisols)

1.6.2. LA COUVERTURE VÉGÉTALE

La couverture végétale d'un bassin versant joue un rôle primordial dans le déroulement du cycle de l'eau, souvent complexe et contradictoire.

La notion fondamentale est ici celle de couverture, plus ou moins continue, plus ou moins épaisse, plus ou moins efficace hydrologiquement.

La couverture végétale agit sur le cycle de l'eau par:

Mais cette action se différencie selon les formations et les associations végétales et selon l'intervention des agriculteurs. L'hydrologie des pays forestiers diffère de celle des pays de prairie, et plus encore des pays steppiques ou désertiques; et celle des bassins versants défrichés et cultivés diffère de celle des bassins versants naturels, toutes choses égales par ailleurs.

On peut distinguer cinq principaux types de couverture végétale:

La carte de la couverture végétale du bassin versant constitue donc un document essentiel pour l'hydrologue.

Celui-ci se montre soucieux moins des types de végétation distingués par les botanistes que:

1.6.2.1. Comportement hydrologique de la forêt. La forêt est d'abord une formation végétale, généralement multi-strate (arbres, arbustes, arbrisseaux, herbe, mousse etc.) occupant une surface plus ou moins étendue de manière continue.

La forêt accroît les précipitations annuelles de 5 à 6% dans les pays tempérés océaniques:

La forêt diminue les précipitations réelles au sol: La forêt accroît les capacités d'emmagasinement des bassins versants: Finalement, les sols forestiers qui reçoivent moins de pluie et de neige que les sols découverts, reçoivent plus d'eau stockable que les espaces voisins découverts, mais la forêt accroît les pertes des bassins versants par sa transpiration, surtout si les racines atteignent la frange de capillarité de la nappe phréatique.

Il faut nuancer ces appréciations selon le type de forêt, mais dans l'ensemble on peut dire que:

On peut citer le cas de la forêt (plantée) des Landes de Gascogne, où une coupe de pinède (coupe toujours à blanc), fait remonter le niveau de la nappe phréatique de 0,6 à 1 mètre, assez pour que le marécage réapparaisse parfois.

La forêt régularise le régime des cours d'eau en jouant un rôle écréteur de crues. Surtout pour les couvertures forestières denses, couvrantes, protectrices de leur propre sol par leur sous-bois et le tapis herbacé sous forêt. L'efficacité des grands reboisements français dans les Alpes du Sud, les Pyrénées Centrales et Orientales, le massif de l'Aigoual (dont les sédiments se retrouvaient dans le port de Bordeaux et contribuaient pour une très large part à son envasement) le prouve.

1.6.2.2. Comportement hydrologique de la prairie. Un tapis herbacé bien enraciné brise aussi l'énergie pluviale, bloque l'érosion ruisselante et l'empêche de devenir ravinante.

Lui aussi joue un rôle régulateur quoique moindre que celui de la forêt:

1.6.2.3. Comportement hydrologique des cultures. Les cultures ont un rôle hydrologique certain, important, complexe et différencié en fonction: En bassin Aquitain, la culture du maïs et du sorgho aggrave érosion et crues inondantes parce que les sols sont travaillés et nus au printemps, saison des pluies les plus abondantes; la culture en très grandes parcelles aggrave encore le danger.

1.6.2.4. Comportement hydrologique des tourbières: La tourbe, véritable formation éponge, peut contenir jusqu'à 80% de son volume en eau. Elle se comporte comme une éponge naturelle ou un spontex, gonflant en présence d'eau, en retenant une partie par capillarité, tandis que sa macro-porosité se sature avec la pluie et se vidange ensuite assez vite.

Par là, les tourbières, plus manteau que couverture végétale par le comportement, écrêtent les crues mais ne sauraient par elles-mêmes relever les étiages.

Elles jouent un rôle hydrologique important dans les pays froids et humides, elles y surélèvent les creux, tapissent les versants.

1.6.2.5. Déserts climatiques ou "déserts anthropiques". Dans les régions désertiques, seuls la localisation du substratum, la structure des sols et l'organisation des différents types de pentes déterminent la distribution de l'eau dans les divers compartiments:

Le ruissellement superficiel direct sur substratum est partout le processus dominant.