Caractéristiques physiques des sous-bassins et différences des lames d’eau écoulées

Les différences d’altitude moyenne des sous-bassins sont négligeables.

L’orientation des versants paraît ne jouer aucun rôle dans les différences de lame d'eau écoulée des cours d’eau bien qu’intuitivement elle pourrait réduire l’insolation effective et la température, donc l’évapotranspiration. En revanche elle doit réduire les précipitations convectives. Le bassin des Crèches qui a le plus fort module spécifique est orienté principalement au nord, celui du Rouchain l’est aussi malgré le fait qu’il présente la plus faible lame d’eau écoulée.

La pente peut intervenir de différentes manières sur la quantité d’eau disponible pour l’écoulement. Elle augmente les vitesses d’écoulement des eaux souterraines de faible profondeur et réduit ainsi la saturation du sol par remontée de nappe [Beven et al., 1986]. Ainsi, elle réduit l’eau disponible pour l’évapotranspiration ce qui accroît l’écoulement. La pente joue également un rôle indirect puisque les sols s'organisent sur les versants selon la morphologie et la nature du substratum : dans la région, sur pente forte se forment des régosols (sols pelliculaires sur roche mère) [Faury, 1984] alors que sur les replats ou les zones de pente moyenne les sols sont plus épais (sols bruns dans les Monts de la Madeleine). Sur les régosols, la végétation est peu développée et l’évapotranspiration est ainsi réduite au profit de l’écoulement rapide en surface ou de l'écoulement souterrain rapide dans les fissures ou dans la pellicule d'arène. Sur les affluents des barrages, ces phénomènes pourraient expliquer les différences de lame d'eau écoulée (cf. Figure 38 et Tableau 5) : le sous-bassin le moins pentu (le Rouchain) présente les lames d'eau écoulées les plus faibles, le sous-bassin le plus accidenté donne les lames d'eau écoulées les plus fortes.

La saturation du sol est non seulement déterminée par la pente mais aussi par la surface amont drainée de chaque point. L’indice intégrant ces deux facteurs (pente tanβ et surface amont drainée, a) a été défini par Kirkby [Kirkby, 1975] : ln (a / tanβ). Les intervalles de valeur de cet indice servent à constituer des classes de similarité hydrologique dans TOPMODEL (cf. paragraphe 9.2, p. 111). Le Rouchain qui produit la lame d’eau la plus faible, présente des valeurs plus fortes de cet indice c’est-à-dire une plus grande aptitude à la saturation du sol, symétriquement les Crèches qui donnent la lame d'eau écoulée la plus importante présentent l'indice le plus faible (cf. Figure 38 et Annexe 13, Figure 88 et Figure 87, p. 351). Ceci est cohérent à l'échelle de l'année (pas à l'échelle de l'épisode) puisque si le sol est saturé, l’évapotranspiration est plus importante et l’écoulement disponible en est d’autant réduit. Remarquons que cet indice permet de distinguer la Tâche de l'Avoine alors que ces deux bassins présentaient les mêmes classes de pente : les différences de valeur de l'indice de Kirkby expliqueraient alors le plus faible écoulement de la Tâche que de l'Avoine (cf. Figure 38). Cependant, un ratio de surfaces saturées important devrait se traduire par des pics de crue plus prononcés sur le Rouchain ce qui n'est pas le cas et contredit donc l'explication des différences d'écoulement par cet indice.

La nature de la végétation détermine en partie l’évapotranspiration. Par ailleurs, la végétation favorise l’infiltration [Grésillon, 1991] et ainsi la reconstitution de la réserve du sol qui servira ensuite à l’évapotranspiration. Un calcul de l’évapotranspiration maximale (évapotranspiration d’un type de végétal soumis à aucun stress hydrique) (cf. Annexe 8) indique cependant des différences minimes à l’échelle annuelle entre les bassins : moins de 2 % sur l’année 1990, en calculant une somme d’ETm (évapotranspiration maximale) pondérée par la surface relative de chaque type d’occupation du sol (le calcul de l'ETm est présenté en Annexe 8).

La densité de drainage exprime différents phénomènes physiques : la part relative de l’écoulement superficiel et de l’écoulement souterrain, la tectonique, le vieillissement du relief... Ce critère en favorisant le drainage des versants, réduit les durées d’infiltration en privilégiant le ruissellement [Grésillon, 1991]. Mais, sur le secteur étudié, les différents bassins ont une densité remarquablement proche les uns des autres puisque l’écart est au maximum de 10 %. Ce critère ne permet pas d’expliquer les différences de lame d'eau écoulée.

La densité de fractures, telle qu’elle est représentée sur la carte géologique, est plus importante sur les cours d’eau à plus forte lame d'eau écoulée. L’incertitude sur cette donnée est cependant trop élevée pour qu’elle puisse fournir une explication fiable aux différences de lame d'eau. La fracturation génère une meilleure infiltration par accroissement de la perméabilité des roches compactes comme le granite (conductivité hydraulique des fissures). En effet, autour des fractures se développent des auréoles d’altération qui offrent une certaine porosité. Les fractures elles-mêmes présentent une perméabilité en grand et induisent des circulations d’eau profondes (voir notamment [Langevin et al., 1991], [Laurent, 1992]) si les failles ne sont pas colmatées et qu’elles fonctionnent en distension.

faille qui a fonctionné en distension doit être le siège de circulations d’eau et pourrait induire sur les deux sous-bassins (le Rouchain et la Tâche) une perte par infiltration profonde, contrairement aux sous-bassins des Crèches et de l’Avoine qui sont fracturés par des failles d’ordre secondaire. L’axe de cette faille se manifeste par la présence de sols plus profonds aptes à une meilleure infiltration. Cette fracture pourrait être une zone d’infiltration préférentielle des eaux qui resurgissent en bordure de la plaine en sources thermo-minérales (Renaison, Saint-Alban-les-Eaux, Sail-les-Bains). Cette hypothèse ne doit pas être négligée et pourrait expliquer les importantes différences de lame d'eau.

Enfin, le profil en long (cf. Figure 39) montre une bonne corrélation avec les lames d'eau écoulées : les bassins versants qui produisent le plus d'écoulement (les Crèches et, dans une moindre mesure, l'Avoine) sont ceux qui présentent la géomorphologie la moins évoluée c'est-à-dire un profil rectiligne, les bassins versants où l'écoulement est plus faible (le Rouchain et, dans une moindre mesure, la Tâche) sont par contre ceux au profil le plus concave (surtout le Rouchain) et donc le plus évolué. L'évolution morphologique du relief signalée par une forte concavité entraîne un développement de l'épaisseur des altérites qui favorise la végétation et donc l'évapotranspiration.

12.1.1.4 Conclusion

De cette étude comparative entre les cours d’eau, il ressort que parmi les caractéristiques physiques connues, la topographie paraît jouer le rôle dominant bien que des failles profondes pourraient expliquer également les différences de lame d'eau écoulées entre sous-bassins. Nous tenterons de quantifier le rôle de la topographie grâce à TOPMODEL (cf. paragraphe 12.1.2.2, p. 153). Un facteur important qui pourrait également déterminer ces différences de lames d'eau est la taille du bassin versant puisqu'il est bien connu que la lame d'eau écoulée est inversement proportionnelle à la taille du bassin et que nous observons que les deux bassins les plus petits sont ceux qui produisent les écoulements les plus élevés.

Par ailleurs, si les caractéristiques jouant un rôle déterminant sont distinguées, elles peuvent servir pour le choix de bassin versant de calage des paramètres du modèle afin d'estimer les débits sur des bassins non jaugés. En effet, la régionalisation des paramètres est fréquemment utilisée en hydrologie pour que l’extrapolation des paramètres soit contrôlée par une similarité physique. Les phénomènes hydrologiques sont supposés proches entre deux bassins si ceux-ci présentent des caractéristiques similaires en terme de lithologie, fracturation, états de surface, végétation, pentes, climatologie... L’analyse de la similarité physique entre bassins est facilitée par l’emploi des SIG ou de la télédétection grâce à l’étude des surfaces et de leur structure spatiale.

Dans le cas du Renaison, les critères clefs seraient l’indice topographique de Kirkby et le profil en long. Etant donné que la topographie est le facteur dominant, TOPMODEL constitue un modèle pertinent puisqu'il prend en compte la distribution spatiale de cette donnée (indice topographique de Kirkby).

12.1.2 Simulation des lames d'eau écoulées avec un modèle hydrologique