2

EVAPORATION
ET EVAPOTRANSPIRATION

2.1. INTRODUCTION

L’évaporation est le processus physique au cours duquel un liquide se transforme en vapeur. La transformation en vapeur d’un solide tel que la neige ou la glace, sans passer par l’état liquide, s’appelle la sublimation.

De grandes quantités d’eau sont évaporées par le processus de la transpiration des plantes qui, par leurs racines, vont puiser dans la profondeur du sol l’eau nécessaire à leur développement et à leur vie; cette évaporation biologique est appelée transpiration.

On groupe sous le nom d’évapotranspiration l’ensemble des processus d’évaporation et de transpiration. La hauteur de lame d’eau ainsi évapotranspirée sur un bassin versant pendant une période déterminée, correspond à toute l'eau évaporée par les plans d'eau, les sols etc. et transpirée par le couvert végétal au cours de cette période.

2.2. L'EVAPORATION

Parmi les facteurs influençant l’évaporation et son intensité, on peut citer:

Il existe plusieurs méthodes pour mesurer l’évaporation à partir d’une surface d’eau libre. Ces méthodes peuvent être divisées en trois grandes catégories:
2.2.1. MÉTHODES DIRECTES

Les types d'appareils les plus utilisés sont les bacs d'évaporation et les évaporomètres.

2.2.1.1. Les bacs d'évaporation (fig. 2.1). La mesure directe de l’évaporation se fait généralement au moyen du bac d'évaporation qui est un contenant de section cylindrique ou carrée dont les variations du niveau d’eau, mesurées à des intervalles de temps fixes (jour, semaine, décade), sont un reflet de l’intensité de l’évaporation. L’avantage principal des bacs est leur économie et leur facilité d’installation; leur inconvénient est la difficulté d’évaluer les effets du rayonnement direct et le transfert de chaleur à travers les parois.

Fig. 2.1. Bac d' évaporation (classe A) du Weather Bureau (d' après REMENIERAS - 1972).

Les bacs peuvent être installés sous le niveau du sol (enterrés), sur l’eau (bacs flottants) ou à la surface du sol. Le taux d’évaporation des petites surfaces étant supérieur à celui des lacs ou des grands bassins, l’extrapolation de la mesure à partir du bac se fait à partir d’un coefficient de correction inférieur à 1, qui dépend du type de bac.

Tous les bacs d'évaporation doivent être relevés quotidiennement. Ils sont munis d'une pointe métallique tournée vers le haut et fixée au bac pour repérer le niveau donné.

Les relevés sont effectués en mesurant la quantité d'eau ajoutée chaque jour pour avoir un niveau constant. Pour les bacs ORSTOM chaque litre ajouté correspond à chaque millimètre évaporé.

Un pluviomètre, situé à proximité immédiate et généralement fixé au sol permet d'évaluer les précipitations tombées dans le bac. Les millimètres d'eau précipitée viennent s'ajouter aux litres d'eau nécessaires au maintien du niveau constant.

Lorsque, après une pluie, le niveau du bac dépasse la pointe, il faut retirer un nombre n de litres d'eau. L'évaporation est dans ce cas égale à la pluie moins le nombre de litres d'eau retirés. En cas d'averses abondantes voisines ou dépassant 100 mm, il est impossible de réaliser la mesure d'évaporation journalière. Elle peut être cependant estimée en minimisant les évaporations du jour précédent et du jour suivant.

2.2.1.2. Les évaporomètres.

Cet appareil installé sous abri est utilisé en France dans de nombreuses stations de la Météorologie Nationale. Le rapport entre les évaporations annuelles mesurées en un même site sur le bac flottant d’une part et avec un évaporomètre Piche d’autre part, est très variable, et généralement compris entre 0.45 et 0.60.

Fig. 2.4. Evaporomètre Piche (d' après REMENIERAS - 1972).
 

2.2.2. MÉTHODES EMPIRIQUES

La plupart des méthodes empiriques reposent sur les relations existant entre l’intensité de l’évaporation à un endroit donné et les facteurs atmosphériques responsables du phénomène.

La grande majorité de ces relations empiriques sont établies à partir de l’équation de DALTON:

,

où:

- taux d’évaporation (mm/j);
- pression moyenne de vapeur d’eau à la température de l’eau en surface (K);
L’équation originale de DALTON prenait en considération l’effet du vent, elle se formulait ainsi:

;

w est la vitesse du vent en km/h.

Avec des mesures directes sur bacs classe A, HORTON (1917) développait l’équation suivante:

,

où Y est un coefficient qui dépend de la vitesse du vent: Y = 2.0 -.

Pour pouvoir utiliser la formule de HORTON pour des grandes surfaces d’eau, la valeur de E doit être multipliée par un coefficient F, qui dans des conditions atmosphériques moyennes peut être pris égal à 0.9. On se rapportera à la littérature spécialisée pour le calcul de F en toutes conditions. L’équation de HORTON devient alors:

, avec E en cm.

Une autre formule assez simple est donnée par MEYER:

,

où:

E - évaporation en mm/mois;

C - coefficient qui varie entre 110 pour les lacs peu profonds et 80 pour les nappes d’eau de grande profondeur.
 

  • Formule de PENMAN. Traduite en unités métriques, la formule de PENMAN donnant l’évaporation d’une nappe d’eau libre de faible épaisseur peut s’écrire:
  • ,

    où:

    - évaporation en kg par  et par jour;
    - concentration massique ou taux d’humidité (sans dimension) en vapeur d’eau dans l’air, lorsque celui-ci est saturé à la température de l’eau;
    2.2.3. MÉTHODES ANALYTIQUES

    2.2.3.1. Méthode du bilan hydrique. L’équation du bilan hydrique d’un réservoir, pendant un intervalle de temps DT est donnée par l’expression:

    P - (R + I + E + ET) = DS ,

    avec:
    L'évaporation s'exprime ainsi en fonction des autres termes:

    E = P - (R + I + ET) - DS.

    2.2.3.2. Méthode du bilan énergétique. Cette méthode, complexe à mettre en œuvre, n’est citée ici que pour mémoire.

    L’équation du bilan énergétique appliquée à une masse d’eau ayant une surface libre est:

    ,

    avec:
  • - taux d’accroissement de l’énergie emmagasinée dans la masse liquide;
  • - radiation solaire incidente (onde courte);
  • - radiation solaire réfléchie;
  • - radiation incidente à grande longueur d’onde provenantde l’atmosphère;
  • - radiation à grande longueur d’onde réfléchie;
  • - énergie nette d’advection dans les échanges horizontaux;
  • - radiation à grande longueur d’onde émise par l’eau;
  • - énergie utilisée par l’évaporation;
  • - énergie perdue par la masse d’eau sous forme de chaleur;
  • - énergie nette d’advection de l’eau évaporée.
  • En général, tous ces éléments sont exprimés en j//min.

    Quelques valeurs de l’évaporation moyenne annuelle des grandes nappes d’eau libre sous différents climats (tab. 2.1) (d’après REMENIERAS - 1972).

    Tableau 2.1 : Quelques estimations de l'évaporation moyenne annuelle
    des grandes nappes d'eau libre


     
       
    Evaporation moyenne annuelle en mm
    1.
    Régions tropicales humides
    1 500 (1) à 3 000
    2.
    Lac TCHAD (profondeur 4 à 5 m)
    2 260
    3.
    Lac TCHAD (profondeur 4 à 5 m)
    660 à 700
    4.
    Sud de la France et Espagne
    1 000 à 1 500
    5.
    Italie (réservoirs de moyenne altitude)
    1200
    6.
    Nord-Ouest de l’Allemagne et Pologne
    450 à 700
    7.
    Lacs de la Suède méridionale 

    (moyenne d’après Wallen

    600
    8.
    Lac d’Ercé
    835
    9.
    Lacs Michigan et Huron
    643
    10.
    Lac de Genève
    650
    11.
    Mer Morte
    2 400
    12.
    Lacs de montagne des Alpes (vers 2 000 m d’altitude)
    200 (?)
    13.
    Lacs de la Russie d’Europe: prof. moy. 5 m, longueur moyenne suivant la direction du vent dominant: 10 km
    400 mm pour 64° de lat.

    950 mm pour 48° de lat

    14.
    Lacs de l’Asie moyenne (Stalinabad)
    1 500 à 1 600

    2.3. L'EVAPOTRANSPIRATION

    Nous avons vu en introduction que l’évapotranspiration se réfère au volume d’eau exsudé par évaporation et transpiration dans une région. Si la quantité d’eau disponible sous forme d’humidité du sol est suffisante pour que les plantes puissent maintenir le taux de transpiration à un niveau maximal, en d’autres termes, si l’eau n’est pas un facteur limitatif de la transpiration, alors, l’évaporation s’appelle, d’après THORNTHWAITE, l’évapotranspiration potentielle. C’est en considérant ce phénomène hydrologique que l’ingénieur, la plupart du temps, peut établir le bilan hydrique à l’échelle régionale.

    Comme pour l’évaporation, les méthodes d'évaluation de l'évapotranspiration peuvent être divisées en 3 groupes:

    1. mesures directes in situ;
    2. analytiques, basées sur le bilan hydrique ou sur le bilan énergétique;
    3. empiriques, basées sur l’analyse statistique des observations.
    2.3.1. LYSIMÈTRE

    Parmi les méthodes directes, la plus utilisée est celle du lysimètre. Cet appareil est un réceptacle cylindrique de 1 m de diamètre environ et de l’ordre de 2 m de hauteur. Il permet de mesurer la consommation en eau des plantes pendant leur croissance.

    Nous donnons ici les principales formules empiriques dont les coefficients ont été obtenus par des analyses statistiques.
     
     

    2.3.2. MÉTHODES EMPIRIQUES

    2.3.2.1. Formule de THORNTHWAITE. Cette formule, déjà ancienne (1944), est basée sur de nombreuses expériences effectuées sur des cases lysimétriques. L’évaporation potentielle est donnée par la formule:

    (ETP) = C, (1)

    où:
    ETP est l’évapotranspiration mensuelle en centimètres pour un mois fictif de 30 jours et une durée théorique d’ensoleillement de 12 h sur 24;

    t - la température moyenne en °C pour le mois considéré;

    C et a sont des fonctions de l’indice thermique annuel.

    a est calculé à partir d’un indice thermique mensuel donné par la formule:


    .

    Si l’on appelle I l’indice annuel égal à la somme des 12 indices mensuels et en adoptant certaines simplifications, la valeur de a est donnée par l’expression:

    .

    Le terme C varie en sens inverse de I et en définitive l’équation peut s’écrire:

    (ETP) = 1.6 .

    En coordonnées logarithmiques, les courbes représentatives de cette dernière équation sont des droites correspondant à des lieux et des climats différents. L’expérience montre que ces droites concourent vers le point de coordonnées ETP = 135 mm et t = 26°5C.

    2.3.2.2. Formule de BLANEY et CRIDDLE. Cette formule peut s’écrire: ETP = kc et montre que pour ces deux auteurs, l’ETP est le produit de 2 facteurs:

    Deux valeurs de k sont proposées, l’une  s’applique à la période de croissance des plantes (période sans gelées), l’autre au reste de l’année.

    L’équation devient alors:

    .

    2.3.2.3. Formule de TURC.

    La formule de TURC est la suivante:

    ETP = 0.40 (Ig + 50) ,

    avec: ETP - en mm d’eau/mois;
    Ig - radiation solaire globale dans le mois en cal//jour;

    T - température moyenne du mois en °C (sous abri).