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La mesure d'évapotranspiration



L’évapotranspiration est la somme de la transpiration du couvert végétal (à travers les stomates des plantes) et de l’évaporation des sols et des surfaces d’eau libre. On désigne comme évapotranspiration réelle (ETR) la valeur de ce flux à un instant donné ou de sa moyenne sur une période donnée, pour une station donnée. Lorsque la disponibilité en eau n’est pas limitative, ce flux tend vers une limite appelée évapotranspiration potentielle (ETP). Ce dernier concept, essentiellement théorique, caractérise une certaine demande en eau exercée par le milieu.

Bien que le terme d’évapotranspiration réelle soit toujours très important dans le bilan en eau, il est souvent traité cavalièrement, sans doute en raison des difficultés liées à son estimation. Il n’est en effet pas possible de le mesurer directement.

L’évaluation de l’évapotranspiration d’une surface passe par l’évaluation de son bilan d’énergie. Une surface reçoit du Soleil et de l’atmosphère des radiations de diverses longueurs d’onde, dont une partie est réfléchie. Elle-même émet de l’énergie sous forme radiative selon sa température. Le solde radiatif modifie la température de la surface émissive, alimente un flux de chaleur sensible vers le sol et vers l’atmosphère et fournit la chaleur latente nécessaire aux processus d’évapotranspiration (on sait en effet que l’évaporation d’un gramme d’eau nécessite de l’ordre de 2 500 joules à la température ambiante). La chaleur sensible et la vapeur d’eau sont évacuées dans l’atmosphère de façons similaires, selon un processus de diffusion turbulente. Les limites du processus évaporatoire sont donc liées à la disponibilité en eau et en énergie et aux capacités d’évacuation de la vapeur d’eau dans l’atmosphère.
 

L’établissement du bilan énergétique permettant d’accéder à l’évapotranspiration ne pose pas de problèmes trop délicats, en particulier pour des durées de l’ordre de l’heure, pour lesquelles on peut raisonnablement postuler des conditions stationnaires, à condition de disposer des données nécessaires qui sont, hélas ! nombreuses et souvent délicates et/ou coûteuses à recueillir. Il s’agit essentiellement des éléments du bilan radiatif et des profils dans l’atmosphère, au voisinage de la surface étudiée, de la température, de l’humidité et de la vitesse du vent. C’est sur ces solides bases physiques qu’ont pu être établies certaines formules, comme la célèbre formule de Penman, qui permet d’estimer l’ETP journalière, dont les deux termes de rayonnement et d’advection sont naturellement reliés aux deux moteurs du processus évapotranspiration.

D’autres formules se contentent de données plus rustiques, comme celle des évaporomètres sous abri (évaporomètre Piche), des bacs d’évaporation ou de la mesure de la durée d’insolation, mais elles exigent le calage de coefficients qui sont finalement des coefficients de régression dont la signification physique est incertaine. Des centaines de telles formules existent. Leur intérêt pratique est indéniable, mais elles doivent être utilisées avec précaution sans oublier ni les hypothèses, parfois fort restrictives, qui les sous-tendent, ni le contexte géoclimatique parfois fort limité dans lequel elles ont été établies. Ces précautions sont souvent oubliées : la formule de Thornthwaite, qui estime fort correctement l’ETP mensuelle à partir de la température de l’air et de la durée d’insolation pour un gazon anglais , a connu une brillante carrière sous tous les climats !
 

Le taux d’évaporation est la quantité d’eau évaporée par unité de temps. Il est généralement exprimé en hauteur d’eau équivalente qui retourne à l’atmosphère par unité de temps. L’unité de hauteur est le millimètre et l’unité de temps est en général le jour.

Aucun des instruments actuellement utilisé n'est pleinement satisfaisant et des recherches se poursuivent pour mettre au point des méthodes de mesure de l'évaporation qui soient applicables à l'échelle météorologique.

Les appareils permettant une mesure directe sont :

- Les atmomètres sont destinés à mesurer la perte en eau d’une surface mouillée standard. La surface évaporante peut être constituée par une sphère, un cylindre ou une plaque en porcelaine poreuse, ou encore par une rondelle de papier buvard (Piche) Ils sont surtout utilisés par les météorologistes et les agrométéorologistes pour caractériser le pouvoir évaporant de l'air

- Les lysimètres : c’est une cuve dans laquelle un sol avec drainage est mis en place pour étudier les mouvements de l’eau et des sels minéraux en relation avec la production d’une culture.

Les lysimètres sont appelés évapotranspiromètre lorsqu'il est utilisé pour mesurer l'évapotranspiration réelle maximum d'un couvert végétal dense, bien alimenté en eau. Le terme de lysimètre est conservé lorsque la cuve sert à mesurer l'évapotranspiration réelle d'une culture.

- Les bacs d’évaporation soit enterrés soit posés sur le sol. Le bac américain de classe A, normalisé par l’OMM, est cylindrique et le bac Colorado a une section carré d’une superficie de 1 m2. Les bacs présentent l’avantage d’être simples et relativement peu coûteux


L'interception

gouttieres.jpg (23714 octets) Le feuillage des arbres fait écran et empêche une certaine quantité d'eau d'atteindre le sol. Ce phénomène est appelé Interception (In). L'interception ne concerne que l'eau qui reste bloquée dans le feuillage et repart par évaporation directe, sans entrer dans le cycle d'eau du bassin versant. Ainsi, l'eau qui s'écoule sur les troncs pour atteindre le sol et celle qui s'écoule des feuilles ne constituent pas des pertes par interception.

On déduit la quantité d'eau interceptée en comparant les valeurs de précipitation obtenues à l'air libre et celles obtenues sous couvert, par simple soustraction.

Les flux d'eau et d'énergie en forêt dépendent largement de la structure du couvert forestier qui peut être caractérisée par des paramètres tels que les indices foliaires.

Mesure de l'interception à l'aide de gouttières au Strengbach

D'une manière générale, plusieurs facteurs influent sur l'interception: 


le type de couvert végétal, tout d'abord : les caractéristiques des feuilles de chaque espèce, ainsi que la quantité et la densité du feuillage influencent beaucoup la capacité d'interception d'une forêt, de même que les caractéristiques propres de la forêt (sa densité, par ex.). Ainsi, les épineux ont des capacités d'interception bien supérieures aux feuillus, d'autant plus que ces derniers sont dépourvus de feuillage une partie de l'année.
le type de précipitation, ensuite. Les pluies intermittentes, par exemple, sont plus fortement arrêtées que les précipitations continues. De la même manière, brumes et brouillards concèdent une plus grande part d'eau à l'interception que les averses orageuses.

Notons enfin que l'interception est généralement à son maximum dans la région immédiate du tronc, et diminue à mesure que l'on s'en éloigne. Cette information est essentielle pour évaluer l'interception d'une forêt à l'aide de pluviomètres, qu'il faut judicieusement placer.

Ruissellement sur les troncs

Le dispositif consiste en un ensemble de serpentins collecteurs qui entourent le tronc. La mesure se fait grâce à des récepteurs fixés sur l'arbre reliés par tuyau à un auget basculeur, qui comptabilise la quantité ruisselée. tronc3.jpg (5548 octets)

L'évapotranspiration

Le bilan hydrologique d'un bassin versant est résumé dans l'expression : P - Q = ETR

En d'autres termes, la part des précipitations non écoulée retourne dans l'atmosphère.



On appelle évapotranspiration (ET) le phénomène combiné de perte en eau par transpiration des plantes et par évaporation directe de l'eau du sol et des surfaces d'eau libre. Cela correspond au phénomène physique de passage de l'état liquide à l'état gazeux dans les conditions naturelles.
L'évapotranspiration, comme les précipitations, s'évalue en hauteur d'eau équivalente sur une période donnée (ex: mm par jour).
La notion d'évapotranspiration potentielle (ETP) a été introduite par Thornthwaite en 1948 et correspond à la perte en eau par évaporation directe du sol et par transpiration d'un couvert végétal dense et bien alimenté en eau, en fonction de la demande atmosphérique. Cela correspond en fait à l'évapotranspiration maximale de référence pour un couvert végétal donné (Guyot, 1997).
L'évapotranspiration réelle (ETR) est égale à la quantité d'eau réellement évapotranspirée au niveau des plantes. C'est une grandeur observée.
L'évapotranspiration réelle maximale (ETRM ou ETM) représente la valeur particulière de l'ETR  lorsque la résistance stomatique est minimale : cela suppose une alimentation hydrique optimale. Néanmoins, l'ETM ne peut jamais atteindre l'ETP car la végétation offre toujours une certaine résistance au transfert de la vapeur d'eau, même si les stomates des plantes sont largement ouverts.

L'ETR est estimée au Strengbach à 500 mm/an et est élevée de mai à septembre, du fait de l'importance du rayonnement qui augmente la demande atmosphérique de vapeur d'eau.

L'évaporation

C'est par le mouvement des molécules d'eau que débute l'évaporation. A l'intérieur d'une masse d'eau liquide, les molécules vibrent et circulent de manière désordonnée et ce mouvement est lié à la température : plus elle est élevée, plus le mouvement est amplifié et plus l'énergie associée est suffisante pour permettre à certaines molécules de s'échapper et d'entrer dans l'atmosphère.
L'évaporation est surtout influencée par les radiations incidentes, la température de l'eau, l'humidité de l'air, le vent, et la pression barométrique. Pour prendre en compte l'énergie solaire, on calcule l'indice foliaire LAI qui donne la surface de feuilles par surface de sol.

L'estimation des pertes d'eau par évaporation est possible grâce à l'emploi d'appareils appelés lysimètres, cuves étanches enterrées surtout utilisées en agriculture pour déterminer les besoins en eau des plantes.

Au Strengbach, l'évaporation n'est pas calculée de cette manière mais on estime directement l'évapotranspiration (qui l'englobe) à partir des entrées (P) et des sorties (Q) et des mesures de l'eau du sol. Cette méthode présente l'avantage de conserver les conditions du milieu mais en revanche, elle ne tient pas compte du mouvement interne d'eau qui peut induire des erreurs.

La transpiration

Elle peut se définir comme l'émission ou l'exhalation de vapeur d'eau par les plantes vivantes. Elle est essentielle car elle participe au cycle hydrologique comme source de vapeur d'eau pour l'atmosphère. Pour le botaniste, la transpiration a bien sûr de multiples autres fonctions, comme véhicule des éléments nutritifs dans la plante ou comme système de refroidissement des feuilles. Trois éléments distincts déterminent la quantité d'eau pouvant être transpirée. Ce sont le sol, le type de plante et les caractéristiques de l'atmosphère.

tronc2.jpg (11829 octets) La mesure de la transpiration se réalise par le biais de la méthode du flux de sève. Deux sondes sont fixées sur le tronc de l'arbre, la sonde supérieure étant chauffée à puissance constante et la sonde inférieure, de référence, laissée à température ambiante.
La méthode repose sur le fait qu'il y a corrélation entre la transpiration de l'arbre et l'ascendance de sève brute. Lors de la transpiration, la sève monte et refroidit la sonde supérieure, diminuant ainsi la différence de température entre les deux points de mesure. Ainsi, une faible différence traduit la transpiration de l'arbre pendant la journée lorsqu'il fait chaud, alors que des différences thermiques importantes entre les 2 sondes s'observent au cours de la nuit, lorsqu'il fait plus froid.
Dispositif de fluxmètre radial :
protection  des 2 sondes contre les radiations solaires directes et la pluie

Le flux de sève est lié aux paramètres du climat, notamment au rayonnement nécessaire à son déclenchement, ainsi qu'à la position de l'arbre par rapport à ses congénères : un arbre dominant reçoit plus de rayonnement qu'un dominé et transpire donc plus. Enfin, le flux de sève est freiné par les précipitations orageuses qui ont un effet de douche froide : après l'averse, l'eau sur la canopée est évaporée avant que la transpiration ne reprenne.

Pour estimer la transpiration à l'échelle de la parcelle, il faut passer du niveau de l'individu arbre à celui du peuplement, sachant qu'il existe une relation linéaire entre le diamètre de l'arbre et sa transpiration.
Dans la mesure où ces mesures se font sous forêt et plus particulièrement sous forêt de résineux impliquant un sol acide, la participation de la strate herbacée au phénomène de transpiration est minime.

L'évapotranspiration à l'échelle de la parcelle est difficile à évaluer surtout en montagne où le relief provoque d'importantes variations spatiales de l'énergie radiative et advective disponible. La méthode employée par le C.E.R.E.G. pour estimer et cartographier l'évapotranspiration journalière potentielle et réelle ne fait intervenir que l'irradiation globale (Rg) et l'évaporation Piche sous abri (Ep). Des cartes d'ETP et d'ETR journalières peuvent être obtenues en calculant Rg en tout point  à partir de mesures pyranométriques de référence, d'un modèle numérique de terrain pour la prise en compte de la topographie et de cartes de la composante advective obtenues à partir de mesures d'Ep faites en implantant dans le bassin un réseau d'évaporimètres Piche sous abri : ce protocole a été expérimenté dans le bassin de recherche vosgien du Ringelbach 

Les pluviolessivats

La modification de la composition de l'eau de pluie lors du passage de la canopée est le résultat de plusieurs processus. Les concentrations en éléments solubles peuvent augmenter par suite : 



de l'évaporation de l'eau interceptée
du lavage des dépôts secs solubles laissés par l'atmosphère sur les feuilles
du lessivage des nutriments excrétés par la canopée
gouttieres2.jpg (28831 octets) La méthode de récupération des pluviolessivats consiste à recouvrir des feuilles de Cellophane afin de préserver les dépôts secs (dus à l'effet de peigne de la canopée sur l'atmosphère) tout en laissant pratiquer la photosynthèse. En nettoyant la feuille, les éléments spécifiquement sécrétés par l'arbre sont isolés : les pluviolessivats sont récupérés dans les gouttières. On détermine ainsi la part de "sécrété" et de "stoppé", tant qualitativement que quantitativement.
Les substances retrouvées dans les pluviolessivats sont des sulfates, des nitrates, des chlorures ainsi que du phosphore, de l'ammoniaque du sodium et du calcium.

Copyright © 1999 Jean Melounou
Dernière révision de la page: 25 October 1998