Traité d'hydraulique environnementale, volume 1

Jean-Michel Tanguy

Description

Ce Traité d'hydraulique environnementale étudie le cycle de l'eau depuis la météorologie jusqu'à la morphodynamique littorale, en passant par l'hydraulique des rivières, l'hydrogéologie ou encore par l'hydraulique maritime. Il décrit ces processus physiques, depuis les bassins versants jusqu'à la mer.
Il dresse un inventaire des instruments de mesure terrain qui fournissent des données d'entrée aux outils de modélisation. Les modèles mathématiques décrivant chaque domaine sont détaillés par processus sous la forme de systèmes d'équations. Ces derniers sont résolus par la mise en œuvre de méthodes numériques adaptées à leurs caractéristiques. Plusieurs outils de modélisation utilisés de manière opérationnelle par les ingénieurs sont ensuite décrits. Enfin, de nombreux exemples d'application sur des cas réels illustrent l'ensemble de la démarche.
Cet ouvrage accompagne le lecteur depuis l'observation en nature des processus physiques jusqu'aux études d'ingénierie menées par les bureaux d'études pour résoudre les problèmes complexes que posent les usages de l'eau dans notre quotidien.
Le traité d'hydraulique environnementale concerne les domaines suivants :
processus hydrologiques et fluviaux, processus estuariens et littoraux - systèmes d'acquisitions des données, modèles mathématiques en hydrologie et en hydraulique fluviale, modèles mathématiques en hydraulique maritime et modèles de transport, modélisation numérique - différences, éléments et volumes finis, approches spectrales, et assimilation de données, exemples d'applications des modèles numériques en ingénierie, logiciels d'ingénierie du cycle de l'eau.
Introduction. Inondations et changement climatique. Chapitre 1. Présentation du traité d'hydraulique environnementale. Chapitre 2. Inondations et catastrophes naturelles. Chapitre 3. Changement climatique et hydrologie. Hydrométéorologie. Chapitre 4. Formation des nuages et de la pluie. Chapitre 5. Évapotranspiration. Chapitre 6. Ruissellement. Chapitre 7. Bassin versant. Chapitre 8. Hydrologie statistique et semi-empirique. Analyse des pluies et des débits. Hydraulique et rivière. Chapitre 9. Mécanismes de l'écoulement à surface libre. Chapitre 10. Génération et propagation des crues en milieu urbain. Chapitre 11. Qualité des eaux de surface. Chapitre 12. Transport de sédiments - charriage et suspension. Chapitre 13. Morphodynamique fluviale. Chapitre 14. Typologie des fleuves, rivières et torrents. Index.

Sujets

• Mathématiques
• Mécanique
• Sciences de la Terre
• Physique

Informations

• Publié par: Hermès - Editions Lavoisier
• Date de parution: 09 octobre 2009
• Nombre de lectures: 51
• EAN13: 9782746240049
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 8 Mo

Extrait

Traité d’hydraulique environnementale
volume 1
























© LAVOISIER, 2009
LAVOISIER
11, rue Lavoisier
75008 Paris

www.hermes-science.com
www.lavoisier.fr

ISBN volume 1 978-2-7462-1836-9
ISBN général 978-2-7462-1835-2


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Printed and bound in England by Antony Rowe Ltd, Chippenham, October 2009. DE LA GOUTTE DE PLUIE JUSQU’À LA MER
TRAITÉ D’HYDRAULIQUE ENVIRONNEMENTALE





Processus hydrologiques

et fluviaux



volume 1






sous la direction de
Jean-Michel Tanguy












Liste des auteurs



Florence HABETS Christelle ALOT
Météo-France SCHAPI
Toulouse Toulouse

Dominique LAPLACE Philippe BATTAGLIA
SERAM CETE de l’Est
Marseille Nancy

Philippe LEFORT Philippe BOIS
INPG INPG
Grenoble Grenoble

Denis DARTUS Emmanuel MIGNOT
IMFT Cemagref
Toulouse Lyon

Véronique DUCROCQ Jean-Baptiste MIGRAINE
Météo-France OMM
Toulouse Genève
Suisse
Abderrezzak EL KADI
Cemagref André PAQUIER
Lyon Cemagref
Lyon
Stéphanie EVANS
ENSMP Jean-Michel TANGUY
Paris Direction de la Recherche et de
l'Innovation
Eric GAUME Ministère de l’Ecologie, de l'Energie,
LCPC du Développement durable
Nantes et de l'Aménagement du territoire
Paris
Patrick GOBLET
Mines Paris-Tech Rémi WAGNER
Paris CETE EST
Nancy
Jean-Michel GRÉSILLON
Cemagref Isabella ZIN
Lyon INPG
Grenoble













Table des matières
Introduction .................................. 17
Jean-Michel TANGUY
Première partie. Inondations et changement climatique .......... 19
Chapitre 1. Présentation du traité d’hydraulique environnementale ..... 21
Jean-Michel TANGUY et Denis DARTUS
1.1. Eléments de contexte .......................... 21
1.2. Genèse du traité d'hydraulique environnementale ........... 22
1.3. La modélisation au carrefour de plusieurs sciences .......... 24
1.3.1. La météorologie25
1.3.2. L’hydrologie opérationnelle ................... 28
1.3.3. L’hydraulique fluviale ...................... 31
1.3.4. L’hydraulique maritime32
1.3.5. L’hydrogéologie ......................... 36
1.3.6. L’informatique37
1.3.7. La simulation numérique ..................... 39
1.3.8. Les interactions entre disciplines ................. 41
1.4. Que sait-on représenter et quelles sont les grandes inconnues
du cycle de l’eau ?.............................. 42
1.4.1. Que sait-on représenter aujourd'hui avec les modèles numériques ? 43
1.5. Comment passe-t-on d'une théorie à un logiciel ? ........... 45
1.5.1. Ecriture physique ......................... 45
1.5.2. Ecriture mathématique ...................... 46
1.5.3. Ecriture algébrique ........................ 47
1.5.4. Ecriture informatique ....................... 47
1.5.5. Prototypage et validation ..................... 48


















8 Application des modèles numériques 2
1.6. Echelles de temps et d'espace des processus (du temps réel à la
sédimentologie) ............................... 49
1.6.1. Introduction ............................ 49
1.6.2. Nombres adimensionnels ..................... 49
1.6.3. Echelles du support de mesure, résolution spatiale, et taille
du domaine ............................... 51
1.6.4. Agrégation, désagrégation et changements d'échelles « glissants » 52
1.6.5. Anisotropie des échelles de longueurs .............. 54
1.6.6. Echelle des vitesses de transfert ................. 56
1.6.7. Echelle des temps de renouvellement............... 57
1.6.8. Echelle des longueurs de transfert ................ 57
1.6.9. Lien entre les différentes échelles58
1.7. Bibliographie .............................. 59
Chapitre 2. Inondations et catastrophes naturelles ............. 63
Jean-Baptiste MIGRAINE
2.1. Le risque de catastrophe ........................ 64
2.2. Inondations et catastrophes : impacts globaux ............. 65
2.3. Comment réduire les risques de catastrophes ?............. 67
2.4. Contribution des Services météorologiques et hydrologiques
et de l'Organisation météorologique mondiale à la réduction des risques
de catastrophes ............................... 69
Chapitre 3. Changement climatique et hydrologie ............. 73
Jean-Michel GRÉSILLON
3.1. Les changements observés dans le climat et leurs effets hydrologiques 74
3.1.1. Les observations et leur interprétation par le GIEC ....... 74
3.1.2. Crues, inondations, événements extrêmes ............ 76
3.1.3. Une étude de détection de changements hydrologiques à l'échelle
de la France77
3.2. La modélisation des effets du changement climatique ......... 78
3.2.1. Les modèles et leurs hypothèses ................. 78
3.2.2. Les résultats du GIECC relatifs aux températures ........ 80
3.2.3. Résultats relatifs au cycle de l'eau à l'échelle mondiale ..... 81
3.2.4. Hydrologie à l'échelle du bassin versant du Rhône81
3.2.5. Les précipitations ......................... 82
3.2.6. Impacts du changement climatique sur le régime des rivières . . 83
3.3. Conclusion ............................... 84
3.4. Bibliographie .............................. 86

























Table des matières 9
Deuxième partie. Hydrométéorologie .................... 89
Chapitre 4. Formation des nuages et de la pluie ................ 91
Véronique DUCROCQ
4.1. L’eau dans l'atmosphère ........................ 92
4.2. La microphysique des nuages chauds ................. 93
4.2.1. Nucléation de la phase liquide .................. 94
4.2.2. Condensation/Evaporation .................... 94
4.2.3. Vitesse de chute des gouttes ................... 95
4.2.4. Croissance par coalescence95
4.3. La microphysique des nuages froids95
4.3.1. Nucléation des cristaux de glace ................. 96
4.3.2. Déposition/sublimation ...................... 96
4.3.3. Agrégation et givrage ....................... 97
4.3.4. Fonte ............................... 97
4.3.5. Vitesse de chute des particules glacées .............. 97
4.4. L'observation des nuages et des précipitations ............. 98
4.4.1. Observations in situ ........................ 98
4.4.2. Télédétection ........................... 98
4.5. Bibliographie .............................. 102
Chapitre 5. Evapotranspiration103
Christelle ALOT et Florence HABETS
5.1. Présentation de l'évapotranspiration .................. 103
5.2. Grandeurs d'influence.......................... 104
5.2.1. Le rayonnement net ........................ 104
5.2.2. Le vent105
5.2.3. La température de l'air ...................... 105
5.2.4. L'humidité de l'air......................... 105
5.3. Propriétés du sol ............................ 106
5.4. Propriétés de la végétation ....................... 107
5.5. Quelques ordres de grandeur de l'évapotranspiration ......... 109
5.6. Bibliographie .............................. 109
Chapitre 6. Ruissellement ........................... 111
Eric GAUME, Philippe BATTAGLIA et Rémi WAGNER
6.1. Bilan hydrologique des bassins versants ................ 111
6.1.1. La notion de bassin versant .................... 111
6.1.2. Les différents termes du bilan hydrologique ........... 112
6.1.3. Les ressources souterraines114
6.1.4. Les régimes d’écoulement115
6.2. Circulation de l’eau dans les sols115

































10 Application des modèles numériques 2
6.2.1. Besoins en eau des plantes .................... 116
6.2.2. Disponibilité de l’eau du sol ................... 116
6.2.3. Sols saturés ............................ 117
6.2.4. Sols insaturés ........................... 119
6.2.5. L’infiltration : entrée de l’eau dans le sol ............. 119
6.2.6. Cas particulier de la battance ................... 121
6.2.7. Redistribution de l’eau dans le sol après une averse ou ressuyage 123
6.3. Genèse des débits de crue ....................... 124
6.3.1. Le ruissellement direct non strictement hortonien ........ 127
6.3.2. Les écoulements souterrains127
6.3.3. Synthèse.............................. 130
6.4. Cas particulier du milieu urbain .................... 132
6.4.1. Les écoulements ......................... 133
6.4.2. Coefficient de ruissellement (ou d’écoulement) ........ 134
6.4.3. Paramètres généraux descripteurs d’un bassin versant ...... 136
6.5. Conclusion ............................... 137
6.6. Bibliographie138
Chapitre 7. Bassin versant .......................... 143
Isabella ZIN
7.1. Délimitation d’un bassin versant .................... 144
7.2. Caractéristiques géométriques d’un bassin versant........... 146
7.3. Caractéristiques géomorphologiques .................. 149
7.3.1. Le relief .............................. 149
7.3.2. Le réseau hydrographique150
7.4. Nature et occupation du sol....................... 153
7.5. En guise de conclusion : d’une vision globale à une description
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