Le tableau B2-3 permet de synthétiser le contexte climatique et les caractéristiques hydrologiques des 20 crues échantillonnées.
La figure B2-13 met en évidence la saisonnalité des crues analysées : 10 crues ont été échantillonnées entre septembre et de novembre et 10 crues ont été étudiées entre mars et mai. Ce protocole ne permet pas d’étudier les crues estivales liées à des épisodes orageux ou les crues d’hiver. Les hydrogrammes des 20 épisodes sont présentés dans l’annexe 4.
Le début et la fin de la crue sont déterminés par la méthode de séparation graphique des écoulements proposés par Horton en 1933 (CHOW et al., 1988). Sur le Pallas, la durée des crues varie entre 17 heures et 5 jours. Le débit de pointe maximum atteint plus de 8 m3/s pour l’épisode d’octobre 1994. La crue d’avril 1995, correspond à un épisode peu marqué dont le volume ruisselé est très faible (1372 m3). Le coefficient de ruissellement varie de 0.7 % pour la crue de septembre 1994 à 34 % pour la crue d’avril 1996.
Sur la Vène, la variabilité du coefficient de ruissellement est plus importante que sur le bassin du Pallas : de 0.1 % à plus de 72 %. Ces fortes valeurs confirment la contribution des résurgences karstiques. En effet, le coefficient de ruissellement est calculé en fonction de la surface du bassin topographique. Les débits de pointe peuvent dépasser la trentaine de m3/s alors que dans la chronique disponible sur le Pallas les débits de pointe ne dépassent pas la dizaine de m3/s.
Sur le bassin du Salaison, les crues échantillonnées présentent des durées plus courtes que celles observées sur le bassin de la Vène durant la même période. Une des raisons possibles de ce comportement peut être le plus fort pourcentage de surfaces imperméabilisées rencontrées sur le bassin du Salaison. Toutefois, cette hypothèse est à nuancer car les coefficients de ruissellement ne sont pas plus élevés que ceux observés sur le bassin du Pallas pourtant très peu imperméabilisé. Le débit de pointe n’excède pas la dizaine de m3/s pour les 7 épisodes considérés.
Les 5 crues échantillonnées sur le Pallas représentent 0.001 % du volume écoulé entre septembre 1994 et juin 1996. On retrouve ce même pourcentage pour les 8 crues sur la Vène durant cette même période. La période de hautes eaux de l’hivers 1995-1996 n’a pas été échantillonnée ce qui peut expliquer le faible pourcentage obtenu. Sur le bassin de la Vène, les 4 crues échantillonnées entre septembre 1998 et décembre 1999 représentent 0.005 % du volume écoulé durant cette période. Sur le Salaison, les 7 crues échantillonnées représentent 0.001 % du volume écoulé entre septembre 1998 et juin 2000.
Du point de vue de la qualité, l’étude des concentrations en azote total observées lors les 20 crues sur les trois bassins confondus, permet de tirer les conclusions suivantes :
• le bassin du Salaison présente la concentration moyenne, en période de crue, la plus importante (6.6 mg/l) devant les bassins du Pallas (3.2 mg/l) et de la Vène (2.6 mg/l) ; • l’effet saisonnier en terme de concentration moyenne des 10 crues de printemps (mars à
mai) et les 10 crues d’automne (septembre à novembre) est peu marqué. Cette concentration moyenne est de 3.2 mg/l pour les crues de printemps et de 2.6 mg/l pour les crues d’automne tous bassins confondus. Par contre, les valeurs maximales de concentration observées durant les crues de printemps sont 2 fois plus élevées que celles d’automne (respectivement 11.6 mg/l et 6.4 mg/l).
Le tableau B2-4 permet de préciser pour chaque crue la concentration moyenne, maximale, minimale en azote, le débit spécifique, les flux spécifiques, la masse exportée et la durée de crue.
Tableau B2-4 : Variation de la concentration en azote selon les crues et flux associé
sur le Pallas
La première étape de l’analyse de ce tableau porte sur les concentrations, le débit spécifique et la durée des crues.
Sur le Pallas, la concentration moyenne en azote obtenue pour chacune des crues varie seulement d’un facteur 2 alors que le débit spécifique varie d’un facteur 420 entre la crue d’avril 1995 et celle d’octobre 1994 (cf. Tab. B2-4). Durant la crue, la variation des concentrations est au maximum d’un facteur 3.
Sur la Vène, la variation des concentrations moyennes entre les différentes crues est de l’ordre d’un facteur 4 (cf. Tab. B2-4). Durant la crue, les variations de concentration sont plus marquées que pour le Pallas (facteur 8 contre un facteur 3 pour le Pallas). Le débit spécifique maximal dépasse les 180 l/km² avec une variation par rapport au débit spécifique le plus faible de l’ordre d’un facteur 940. L’estimation des durées de crue pose problème sur la Vène lors de la contribution du karst. On assiste en effet à des crues complexes pour lesquelles la fin de crue est difficile à estimer (cf. annexe 4).
Sur le Salaison, l’analyse des concentrations observées montre une variabilité plus marquée entre les crues et durant les crues par rapport à celles observées sur les bassins du Pallas et de la Vène (cf. Tab. B2-4). Les débits spécifiques sont beaucoup moins variables que sur les précédents bassins. Les durées de crue sont en moyenne plus courtes que celles observées sur le bassin du Pallas et de la Vène.
Durant les crues, l’évolution dans le temps des débits et des concentrations montre en général un phénomène d’hystérésis (MEYBECK, 1985). On peut mettre en évidence ce phénomène sur les 3 bassins instrumentés. On observe ainsi des boucles dans le sens des aiguilles d’une montre (« clockwise loop » ou « négative ») comme pour la crue de mars 1999 et d’avril 2000 sur le bassin du Salaison illustrées par les figures B2-15 et B2-16.
Concentration moyenne (N mg/l) Concentration maximale (N mg/l) Concentration minimale (N mg/l) Débit spécifique (l/km²) Flux spécifique (kg/km²) Masse totale (kg) Durée de crue (h) P199409 4,0 6,1 2,5 4,2 0,7 111 34 P199410 2,9 4,0 2,2 83,8 1,5 4107 77 P199504 3,9 6,4 2,6 0,2 0,7 7 36 P199603 2,3 2,8 2,1 48,6 2,3 3304 120 P199604 3,0 3,8 2,5 6,5 0,3 69 17 V199409 2,9 8,1 1,0 9,3 1,0 295 69 V199410 1,8 4,5 1,1 173,0 3,0 16422 200 V199504 7,9 9,1 6,5 0,2 0,9 27 60 V199604 1,5 1,7 1,2 25,2 2,4 1238 162 V199905 1,8 4,6 1,0 42,4 1,2 3127 79 V199909 2,3 3,3 1,1 188,2 0,2 1505 12 V199910 1,2 1,9 0,8 83,1 2,5 3341 168 V199911 1,5 2,4 0,7 122,2 3,7 11966 245 S199903 8,2 24,4 5,1 5,7 0,4 335 22 S199904 5,9 21,2 3,7 9,2 0,4 337 19 S199905 4,1 7,0 2,6 25,2 0,9 733 48 S199909 7,3 13,9 3,5 18,3 0,2 542 12 S199910 4,2 8,0 2,1 37,1 0,6 656 33 S199911 3,9 12,0 2,1 39,4 2,7 3674 142 S200004 12,6 34,5 3,9 10,6 0,6 502 33
Figure B2-15 : Phénomène d’hystérésis « négatif » pour la crue du Salaison d’avril
2000
Figure B2-16 : Phénomène d’hystérésis « négatif » pour la crue du Salaison de mars
1999
Les trajectoires mises en évidence peuvent apporter une information sur le comportement du bassin lors de crues (MANTILLA MORALES, 1995). Les trajectoires « négatives » correspondent ainsi à une mobilisation de l’azote facilement disponible par ruissellement qui s’épuise au cours de la crue. Ce comportement est cohérent puisque ces crues se situent durant la période d’apports où l’azote est encore facilement mobilisable lors du ruissellement. La
0 5 10 15 20 25 30 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 Débit (m3/s) Co n cen tr atio n en azot e t o ta l (m g /l) 1ier échantillon 0 5 10 15 20 25 30 35 40 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 Débit (m3/s) C o n c en tr at io n e n azo te t o tal ( m g /l) 1ier échantillon
valeur de concentration maximale observée correspond pour 8 des 10 crues de printemps au premier échantillon prélevé lors de la montée de crue. Sur ces crues de printemps, le pic de concentration précède le pic de débit. Ce décalage entre le pic des concentrations en azote et l’hydrogramme lors des crues de printemps a été mis en évidence sur d’autres bassins versants (CANN, 1998). Les travaux précédemment cités montrent que ce décalage évolue dans l’année : plus on s’éloigne de la date d’apport, plus le pic de concentration est en retard par rapport au pic de crue.
Toutefois, ces hypothèses sont à nuancer en raison de la fréquence d’échantillonnage des 20 crues. L’analyse des figures B2-15 et B2-16 met en évidence la faiblesse du protocole lors du début des épisodes de crues qui est due à la rapidité de la montée des crues sur ces bassins (cf. annexe 4).
L’estimation des quantités d’azote exportées lors d’une crue nécessite une méthode d’interpolation entre les flux instantanés observés. Différentes méthodes de calcul de masse ont été testées, durant les années 80, à partir de données de débit en continu et de mesures de concentrations ponctuelles (DUPRAZ, 1984, WALLING et WEBB, 1985). La plus couramment utilisée correspond à l’équation B1-1.
M = ∑ (q
i× c
i× t
i) Équation B1-1Avec M : la masse totale générée, ci la concentration de l’échantillon i, ti : la durée
représentatif de l’échantillon i (égale à la moitié de l’intervalle entre le précédent échantillon et l’échantillon suivant), qi : le débit moyen sur l’intervalle ti, toutes les variables étant
exprimées en unités cohérentes de masse, de longueur et de temps.
Les masses d’azote obtenues pour les 20 crues à partir de l’équation B1-1 sont figurées dans le tableau B2-3. Sur le Pallas, on observe de fortes exportations aussi bien à l’automne (4 tonnes pour la crue P199410) qu’au printemps (3 tonnes pour la crue P199603). Sur la Vène, deux crues d’automne sont caractérisées par une exportation supérieure à la dizaine de tonnes (V199410 et V199911). Sur le bassin du Salaison, la variabilité des masses exportées lors des crues est moins marquées que pour les crues du Pallas et de la Vène. L’exportation maximale est observée lors d’une crue d’automne (3.6 tonnes pour la crue S199911).
En terme de représentativité, 5.6 tonnes ont été exportés lors de ces 5 épisodes observés sur le Pallas soit 8 % de la masse exportée par le bassin durant la période d’étude (estimé à 72 tonnes d’azote entre septembre 1994 et juin 1996). Cette masse a été estimée à partir des flux observés en crue et durant le suivi régulier (Contrat pour l'étang de Thau, 1997).
Sur la Vène, la masse d’azote exportée durant cette période (septembre 94 - septembre 96) a été estimée à 180 tonnes d’azote. Plus de 10 % de cette masse a été exportée lors des quatre crues. Ce type de calcul ne peut être reproduit sur la deuxième période d’analyse (septembre 98-décembre 99). Le nombre plus restreint d’échantillons impliquerait une incertitude importante lors de l’interpolation entre les données observées (suivi régulier mensuel). Il en est de même sur le bassin du Salaison.
Le tableau B2-5 permet de mettre en évidence l’importance des flux exportés durant les épisodes de crues et en hautes eaux par rapport aux périodes de basses eaux. Sur le Salaison, l’importance des exportations en période de crue est moins marquée en raison des rejets ponctuels de la station d’épuration de St Aunès.
(20*) : nombre d’échantillons
Tableau B2-5 : Comparaison des flux journalier en crue, hautes et basses eaux
Pour clore cette analyse des crues échantillonnées, on peut retenir que les bassins présentent des comportements hydrologiques différents (coefficient de ruissellement, débit spécifique, …). Les différences entre flux d’azote spécifiques sont moins marquées. Les résultats obtenus lors du premier programme de recherche sur l’étang de Thau montrent que plus de 40 % des masses d’azote sont exportées lors des épisodes de crue qui ne représentent que 3 % du temps (Contrat pour l'étang de Thau, 1997). Ce résultat montre tout l’intérêt d’étudier ces épisodes et de les prendre en compte dans un modèle d’exportation développé en contexte méditerranéen.
B2-3. Conclusion
L’analyse des données disponibles sur les quatre bassins du Pallas, de la Vène, du Salaison et du Dardaillon, permet d’envisager l’utilisation ou le développement d’un modèle de flux puisqu’il est possible :
• de quantifier les apports d’azote dans l’espace et dans le temps (variable d’entrée du système bassin versant) à l’aide des caractéristiques physiques d’occupation du sol ; • de caractériser la dynamique de pluie au pas de temps inférieur à la journée (variable de
forçage du système bassin versant) ;
• de quantifier le flux d’azote à l’exutoire (variables de sortie du bassin versant) dans l’optique d’un calage des paramètre du modèle de flux.
Concernant les caractéristiques physiques du bassin, on dispose sur les deux sites d’étude des informations requises dans les modèles de flux : topographie, géologie, pédologie et occupation du sol.
La seule information non accessible sur les bassins concerne l’évolution des variables d’état du système à savoir : évolution des stock des différentes formes de l’azote dans le sol et en rivière, évolution de l’humidité, de la température, du pH dans le sol et de l’oxygène dissous, température, pH dans les rivières. L’absence de ces données va peser sur le choix du modèle en terme de complexité des processus représentés.
Outre les données nécessaires pour caractériser le bassin, l’utilisation d’un modèle de flux nécessite d’avoir identifié les spécificités des bassins d’étude en terme de flux d’azote. L’analyse menée sur les mesures de débit et de concentration nous a permis de distinguer deux types de comportement des bassins : période de crise et de non-crise avec la pluie comme élément déclencheur des crises. Le modèle de flux d’azote retenu doit permettre de prendre en compte ce comportement des bassins versants.
Flux moyen journalier en crue
(kg N /j)
Flux moyen journalier hautes eaux (régulier)
(kg N /j)
Flux moyen journalier basses eaux (régulier)
(kg N /j) Seuil Hautes/basses eaux (l/s) Pallas 424 439 (17*) 5 (18*) 50 Vène 985 1143 (24*) 35 (40*) 500 Salaison 529 275 (10*) 122 (19*) 150 Dardaillon - 136 (2*) 15 (12*) 50