Modélisation développée à partir des données terrain dans la plateforme

du petit bassin versant la combinaison des flux verticaux et latéraux dans les différents compartiments de surface, sub-surface proche et profonde (Figure 5-17), et tester les hypothèses concernant les processus de formation des crues (Bouvier et al., 2016, soumis).

Figure 5-17 : Modèle M7 pour la représentation des flux verticaux et latéraux dans les compartiments de surface, subsurface proche et profonde.

Ce modèle a été appliqué au petit bassin de Valescure (3.9 km2) pour lequel on dispose d’un grand nombre d’observations de terrain concernant les propriétés des sols et les conditions initiales de saturation des sols. La plupart des paramètres du modèle ont été prédéterminés à partir des observations disponibles, sauf ceux liés aux propriétés des couches profondes, insuffisamment connues. Dans ces conditions, les crues observées ont été convenablement représentées par le modèle pour plus d’une quarantaine d’épisodes ayant dépassé 100 mm de pluie en 24 h (Figure 5-18).

Figure 5-18 : Exemples de simulation de crues. Le modèle a été calibré sur un seul paramètre qui fixe l’infiltration profonde. Ce paramètre est relié significativement à l’humidité initiale, et l’infiltration profonde augmente quand l’humidité initiale diminue. Par ailleurs, la profondeur de “sol” est distribuée aléatoirement entre 0 et 2m. La vitesse de l’écoulement latéral a été fixée à 3 m h-1. NS désigne la valeur du critère de Nash-Sutcliffe, calculé sur la totalité de l’épisode. La valeur médiane de NS sur 40 épisodes est de 0.84.

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Rai n fal l, m m/ 1 5 mn Di schar ge, m3 .s -1 Qobs Qcal Rainfall NS = 0.86 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Rai n fal l, m m/ 1 5 mn Di schar ge, m3 .s -1 Qobs Qcal Rainfall NS = 0.91

FloodScale : Rapport scientifique final Version : 3 Date :31/05/2016

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sèches. L’écoulement par exfiltration, dû à un excès de saturation des sols, constitue 30 % du débit de pointe de crue (médiane sur 40 épisodes), et 80% du volume écoulé sur la totalité de l’épisode (médiane sur 40 épisodes). L’infiltration profonde représente 30% de la pluie reçue au cours de l’épisode (médiane sur 40 épisodes). Lors du pic de crue, l’écoulement est essentiellement fourni par la pluie qui ruisselle sur des sols saturés. Du point de vue du modèle, la saturation des sols est provoquée par la convergence des flux de sub-surface, principalement à proximité des talwegs qui entaillent les versants. Les écoulements de sub- surface ont ainsi pu être quantifiés et validés dans un contexte d’observations très documenté. Le modèle s’est avéré par ailleurs robuste au changement d’échelle, et a pu être appliqué avec succès au bassin du Gardon à Anduze (545 km2) sous des hypothèses similaires. Les résultats obtenus jusqu’à maintenant montrent une excellente cohérence entre modélisation et observation, et réussissent à proposer un scénario crédible pour expliquer et prévoir la formation des crues, couvrant une large gamme d’échelles.

Les travaux de modélisation se poursuivent actuellement pour renforcer le contrôle des processus par des simulations multi-variables, incluant les variations des concentrations en isotopes et éléments chimiques de l’eau au cours de l’épisode (voir section 4.3.4), ou celles de l’extension spatiale du réseau hydrographique actif (voir section 4.3.2). Le modèle doit également être appliqué à d’autres sites de petits bassins bien documentés – Tourgueille (schistes), Mont Lozère (granites), Gazel (marnes/calcaires) – qui permettront d’évaluer l’impact de la géologie sur les crues.

5.5 Synthèse et conclusions

A l’échelle des versants, l’ensemble des expérimentations prévues (mise en place de transects et de parcelles d’infiltration pour l’étude des flux de sub-surface) a été mis en œuvre. Le projet a aussi permis de tester et valider le principe d’un nouvel appareil, le saturomètre, qui permet d’accéder avec un minimum d’effort de terrain à des grandeurs caractérisant les propriétés d’infiltrabilité des sols. Le projet a aussi permis de montrer l’intérêt de la résistivité électrique pour l’estimation des profondeurs de sol et le suivi des flux d’eau, avec l’intérêt d’être une méthode non-destructive. Le projet a permis de confirmer que le bedrock n’était pas imperméable, dans les géologies sur granite et schiste et que les capacités d’infiltration dans ce milieu altéré et fracturé étaient élevées (10-100 mm h-1). Sur ces sols, les écoulements apparaissent essentiellement verticaux sur 1 à 2 m, avec des vitesses élevées. Néanmoins, à l’échelle du bassin, ce sont surtout les écoulements latéraux de sub-surface qui dominent. Ceci est en particulier confirmé par l’analyse des données de géochimie. Sur les terrains marno-calcaires de l’Ardèche, ces écoulements de sub-surface contribuent aussi de manière significative aux écoulements, même si le ruissellement de surface y est plus présent. De manière générale, les capacités d’infiltration des sols étudiés sont élevées (plusieurs centaines de mm h-1 sur les sols forestiers), de l’ordre de plusieurs de dizaines mm h-1 sur les zones cultivées.

Les travaux de modélisation ont permis de tester différentes hypothèses de fonctionnement, mettant en évidence l’impact de la géomorphologie des bassins versants sur la réponse hydrologique (modélisation RuiCells). Néanmoins, cette modélisation montre que les seuls écoulements de surface – les seuls modélisés dans cette approche – ne permettent pas de reproduire la forme des hydrogrammes observés. Des résultats similaires sont obtenus avec le modèle HEC-HMS sur la Claduègne, modèle qui ne modélise pas le transfert de sub-surface. Il n’a pas été possible de trouver un jeu de paramètres rendant compte de la complexité de la réponse hydrologique observée. Les essais menés avec les modèles CVN-l et CVN-p ont permis de montrer l’importance de bien considérer la variabilité spatiale des capacités de

stockage dans les sols. Le modèle CVN-l, qui pour fonctionner avait besoin de supposer le

bedrock imperméable, n’a pas permis de reproduire correctement les débits observés. Aux

échelles fines, le modèle CVN-p, qui ne considère que des écoulements verticaux dans le sol et la roche altérée, n’a pas non plus permis de bien reproduire les écoulements, alors qu’il s’avère plutôt bien adapté à l’échelle régionale. La modélisation M7 quant à elle, a été développée en introduisant dans la modélisation les processus et paramètres observés sur le terrain : perméabilité élevées, prise en compte de l’infiltration dans le bedrock, vitesse de flux latéraux de quelques m h-1. Le modèle s’est avéré apte à reproduire les débits observés à différentes échelles en contexte granitique, ce qui tend à montrer que les processus dominants ont bien été captés et pris en compte. Il faudrait enrichir cette évaluation en confrontant les résultats du modèle à ceux de la géochimie et aux mesures décrivant l’activation des réseaux éphémères. Il convient aussi de tester l’approche sur les autres bassins versants, afin d’évaluer sa généricité.

Cet aller-retour entre expérimentations à l’échelle du versant et modélisation a constitué une richesse de ce programme de recherche, l’expérimentation guidant la modélisation et les modèles orientant les expérimentations.

6 Observation renforcée dans les grands bassins versants : estimation de