Ruissellement et écoulement des eaux sur les bassins versants français

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L'eau écoulée se divise en deux catégories : l'écoulement rapide de crue ou ruissellement et l'écoulement souterrain ou vidange des nappes. Les 91 cours d'eau métropolitains étudiés rendent compte d'"une France qui s'écoule et d'une France qui ruisselle", où l'erratisme des précipitations est confronté aux contraintes géomorphologiques.
Publié le : vendredi 15 avril 2016
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EAN13 : 9782140007491
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AlaIn GIret
Ruissellement et écoulement des eaux sur les bassins versants français
Ruissellement et écoulement des eaux sur les bassins versants français
Alain GIRETRUISSELLEMENTET ECOULEMENTDESEAUXSUR LES BASSINS VERSANTSFRANÇAISL’Harmattan
Du même auteur
Chez l’Harmatan 2014 -Alluvionnements et néotectonique quaternaires en Roussillon – L’Harmattan, Paris, 265 pages e 2013 -Crues et étiages en France au XX siècle : entre nature et aménagements– L’Harmattan, Paris, 278 pages. 2012 -Les cours d’eau français : approche quantitativeL’Harmattan, - Paris, 298 pages. 2011 -Histoire de la biodiversitéCollection Biologie, Ecologie, - Agronomie, l’Harmattan, Paris, 266 pages. 2009 -Le Quaternaire : climats et environnements - collection Biologie, Ecologie, Agronomie, l’Harmattan, Paris, 293 pages. 2007 -Géographie de l'écoulement fluvial - L’Harmattan, Paris, 354 pages. Autres éditeurs 2015 -Le bassin de la Loire, un carrefour de navigation fluviale - Antya Editions, Descartes, 334 pages 2014 -Energie hydraulique - Différentes formes, aménagements -Ellipses, collection Tecchnosup « Environnement », 186 pages. 2011 -L’espèce humaine et le biodiversité - Essais et Documents - Le Manuscrit, Paris, 456 pages. 2007 -Hydrologie fluvialeEllipses, Université, Géographie, Paris, 262 - pages. 2006 –Le risque hydrologique : du concept à sa gestion (sous la direction de Alain Giret)Actes du Colloque tenu à l’Université de Paris 13, le 28 - octobre 2005 – Editions “Le Manuscrit : recherches université”, 250 pages. © L’Harmattan, 2016 5-7, rue de l’École-Polytechnique ; 75005 Paris http://www.harmattan.fr diffusion.harmattan@wanadoo.fr harmattan1@wanadoo.fr ISBN : 978-2-343-08916-4 EAN : 9782343089164
Avant-propos
Cet ouvrage sera le dernier d’une trilogie consacrée à l’hydrologie fluviale de la France. Le premier -Les cours d’eau français : approche quantitative -s’est intéressé à la répartition régionale des débits moyens et à leurs variations saisonnières. Le deuxième -: entre nature etCrues et étiages en France aménagementsse consacra à l’histoire des extrêmes hydrologiques des - e principaux bassins hydrographiques au cours du XX siècle (il a souligné l’importance du rôle des actions anthropiques). Celui-ci envisage de décomposer l’écoulement d’un panel de près de cent cours d’eau répartis sur l’ensemble du territoire métropolitain. En effet, qu’on ait affaire au Rhin ou à un ruisselet ne drainant que quelques dizaines d’hectares, l’origine de l’eau est toujours la même. La présence de nappes d’eau souterraines (surtout les nappes phréatiques) assure la pérennité de l’écoulement à partir des sources situées en tête de vallons. Le débit est assez pondéré quelle que soit la saison : c’est l’écoulement souterrain. On lui oppose leruissellementprovoqué par l’occurrence des précipitations. Si une partie des eaux pluviales s’infiltre vers les nappes phréatiques (ce qui permet leur régénération), une autre part gagne directement les chenaux du bassin hydrographique parruissellementla surface du sol. Il s’agit d’un processus à complexe et encore mal interprété. Sur une surface ouverte - toit, place goudronnée, rocher à nu - le processus est aisément compréhensible, mais sur les espaces végétalisés - forêts, prairies, champs cultivés - le cheminement de l’eau hésite ente la surface du sol, entre les tiges des plantes, et les premiers décimètres du sol, les plus meubles. On parle alors d’unécoulement hypodermique (ou d’unressuyage des sols) dans lequel les méthodes géochimiques ont prouvé que l’eau qui parvient aux chenaux est une «eau ancienne», antérieure à l’averse, propulsée par la «pressiond’une eau nouvelle», celle de l’averse. Toutefois, d’un point de vue qualitatif, l’eau issue des nappes profondes, ouécoulement souterrain, est une eau claire, comme celle de la plupart des cours d’eau en saison estivale. À l’inverse, l’eau de ruissellementest trouble, car elle se charge de particules tant à la surface du sol que dans les horizons superficiels. Enfin, du fait de la rapidité et de l’irrégularité du processus de ruissellement, ce dernier offre une immodération saisonnière (et interannuelle) très élevée, et c’est de sa participation à l’écoulement global que dépendent l’irrégularité et l’immodération d’un cours d’eau. Mais cela ne permet pas de quantifier la part qui s’écoule et celle qui ruisselle. Les méthodes faisant appel au suivi de traceurs chimiques, ou radioactifs, ont donné d’excellents résultats, mais elles seraient difficiles à mettre en œuvre dans une politique d’aménagement global. Aussi sommes-nous revenu à une autre procédure. Elle consiste à décomposer l’hydrogramme
quotidien des cours d’eau de taille moyenne (réseau < rang 5 de Strahler) drainant une région à risque, ou constituant les affluents d’un plus grand bassin versant. Quelle que soit l’échelle spatiale ou temporelle retenue, l’écoulement fait l’objet d’une irrégularité plus ou moins prononcée ; on évoque alors son immodération ou sa pondération. Sa représentation graphique constitue l’hydrogramme, ou variation des débits, modules ou lames d’eau écoulées en fonction du temps. Ce graphique peut décrire les variations interannuelles de cet écoulement, ses variations saisonnières (répétitives, elles conduisent à la notion de régime), mais, à l’échelle la plus élevée, les moyennes quotidiennes permettent de construire unhydrogramme journalier. Or, chacune de ces représentations graphiques montre des irrégularités plus ou moins prononcées qui sont la traduction de deux grands modes d’écoulement.
Rappelons ici que lorsque les averses touchent le sol, deux voies s’offrent à l’eau. Une partie s’infiltre et gagne les nappes phréatiques ; en matière de bilan hydrologique, c’est larecharge des réserves. Après un séjour souterrain plus ou moins long, cette eau gagnera les chenaux en émergeant des sources (là aussi, l’eau qui parvient aux chenaux n’est pas celle de l’averse, mais une eau déjà présente et chassée par le poids de celle des pluies infiltrées). Pour ce qui nous concerne, c’est cet «écoulement souterrain» qui assure la pérennité des flux hydriques entre les averses dans les régimes pluviaux. En matière de bilan, il correspond à la vidange des réserves, laquelle recule selon une décroissance géométrique, pour atteindre, au bout d’un temps plus ou moins long, une situation dite d’étiage, le plus souvent déterminée statistiquement.
Une autre partie gagne plus rapidement le réseau hydrographique et participe au ruissellement des géomorphologues, que nous venons d’évoquer. Dans le cas d’écoulements exclusivement glaciaires et/ou nivaux, le passage des températures au-dessus de 0°C ne provoquerait qu’une seule intumescence de crue : ladébâcle. Mais c’est un concept parfaitement théorique, car, en France, il n’existe pas, à notre connaissance, de cours d’eau ignorant l’influence pluviale, aussi l’hydrogramme journalier rend-il plutôt compte de la succession de ces phases de ruissellement. Pour les hydrologues, cette eau participe à «l’écoulement rapide de crue» d’une eau superficielle qui, d’une part, a dévalé à la surface du sol par ruissellement direct, et qui, d’autre part, s’est écoulée dans le sol pédologique et les formations superficielles, profitant de la porosité de certains horizons et de l’imperméabilité d’autres, et qu’on nomme «écoulement hypodermique» ou «ressuyage des sols». Au cours d’une averse, Ambroise (1988) avait séparé lessurfaces actives, où se réalise un ruissellement,dessurfaces contributivesl’eau gagne les drains. Dans le dont premier cas, c’est une eau de surface qui peut «gagner directement» les chenaux, mais elle peut aussi rejoindre l’eauinfiltrée dans les porositésdu sol
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(eau hypodermique) laquellecontribueà l’écoulement en gagnant les chenaux. À ce momentruissellement directetécoulement hypodermiquesont confondus. C’est la difficulté, voire l’impossibilité de séparer ces deux processus qui a amené à les regrouper en un «écoulement rapide de crue». Un quart de siècle de travaux relatifs au problème montre qu’il est possible de déterminer les qualités d’un bassin versant à évacuer plus ou moins rapidement l’afflux pluvial provoqué par une averse (c’est le cas de figure le plus fréquent à gérer), au travers de deux concepts : ladécomposition de l’hydrogrammeet la définition d’unestructure hydrologique des bassins. Personnellement, nous avons abordé cette démarche scientifique dès 1984. Depuis cette époque, notre conception et notre méthode de travail ont bien évolué ; toutefois, elles restent l’aboutissement d’observations de terrains et la conclusion de nombreuses lectures. C'est en effet l'article de R.J. Chorley «The Drainage Basin as a Fundamental Geomorphic Unit» in «Introduction in Fluvial processes» (London : Methuen - 1972), qui nous avait fait découvrir l'approche quantitative de l'espace. Aussi est-ce avec enthousiasme qu’au début des années 1980 nous avions appliqué ce type de recherche géographique à deux petits bassins tourangeaux. Dès cette époque, une partie de notre méthode de travail prit sa forme quasi définitive par l’analyse géométrique de l’aire drainée, la morphométrie des réseaux hydrographiques, la longueur et la pente des chenaux, la densité de drainage, la cartographie des pentes, l’expression de l’énergie du relief au travers de la construction de courbes hypsométriques, la cartographie de la mise en valeur de l’espace. Par respect pour le professeur R. Lambert, nous en nommons la synthèse «structure hydrologique du bassin versant» qui rassemble les «constantes des bassins versants» lesquelles décident du devenir de la principale variable : lesprécipitations. Cependant, la confrontation pluies-structure hydrologique apparaissait très décevante par certains côtés. Nous avions certes abouti à une meilleure connaissance des bassins. Le rôle du sous-sol était précisé dans le dessin des réseaux hydrographiques : lithologie et densité du drainage, hiérarchie des réseaux et tectonique. Les héritages paléoclimatiques étaient confirmés par la comparaison des réseaux de chenaux actuels et des réseaux de thalwegs dont l’origine périglaciaire était ainsi confirmée. Mais le lien avec l’écoulement, dont nous avions tant lu la relation dans les articles britanniques et américains, restait bien discret. Il fallait se rendre à une évidence : la dépendance des écoulements annuels et saisonniers vis-à-vis des fluctuations des apports pluviaux masquait le rôle des caractéristiques géométriques des bassins et de leurs réseaux hydrographiques. À ces deux pas de temps, la nature du sous-sol, du sol et la mise en valeur sont les principaux facteurs de différenciation dans la réponse des bassins versants aux précipitations reçues. Le rôle de l'expression
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