Sélection des séries et des variables pluviométriques pour l’étude des réponses hydrologiques multi-locales

Dans cette section analyses et sélections des épisodes pluvieux les plus pertinents pour l’exploitation du dispositif limnimétrique multi-local sont présentées de manière à réaliser les trois étapes d’analyse proposées plus haut (Tableau IV.V) dans de bonnes conditions.

3.2.1 Variabilité spatiale de la pluie lors de l’expérimentation

Sur la période d’expérimentation multi-locale, les épisodes pluvieux ont été nombreux en particulier en 2007 et 2008 (Figure IV.9), qui présentent des cumuls annuels de respectivement 917 et 841 mm, supérieurs à la normale de la zone du Mercier de 728 mm (moyenne sur 10 ans consécutifs). Ces années sont l’objet d’épisodes importants avec des hauteurs de précipitations de 60 à 75 mm présentant des périodes de retour relativement élevées de 4 à 5 ans. L’année 2009 avec 641 mm est moins pluvieuse que la normale, avec un été sec et chaud qui se rapproche de la tendance météorologique enregistrée depuis le début des années 2000. 0 10 20 30 40 50 60 70 80

mai-07 nov.-07 mai-08 nov.-08 mai-09 nov.-09

P lu ie q u o ti d ie n n e ( m m )

Figure IV.9 : Pluviométrie quotidienne mesurée sur la période d’expérimentation limnimétrique multi-locale sur le bassin versant du Mercier.

Un potentiel d’une cinquantaine d’épisodes pluvieux a été identifié sur lequel la variabilité spatiale des précipitations a été étudiée à partir des quatre pluviomètres disponibles. L’analyse de corrélation entre les séries pluviométriques montre globalement une forte proximité entre la pluie totale et la durée des épisodes pluvieux observés conjointement (Tableau IV.VI et Tableau IV.VII). Les coefficients de corrélation les plus élevés sont systématiquement associés au pluviomètre « MercierBS ». Les épisodes pluvieux qui ont lieu sur le

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relief nord (SPP) et sur le relief sud (Camping) du bassin versant génèrent des corrélations plus faibles que ce soit sur la pluie totale ou la durée.

Tableau IV.VI : Matrice des corrélations de Pearson entre les volumes de précipitations relevés sur les 4 pluviomètres (Figure IV.2) lors de l’expérimentation multi-locale sur le bassin versant du Mercier.

SPP Pollionnay MercierBs Camping

SPP 1 N=42 N=25 N=16

Pollionnay 0,886 p<0,01 1 N=20 N=9

MercierBs 0,918 p<0,01 0,981 p<0,01 1 N=12 Camping 0,816 p<0,01 0,827 p<0,01 0,895 p<0,01 1

Tableau IV.VII : Matrice des corrélations de Pearson entre les durées des épisodes pluvieux mesurées sur les 4 pluviomètres (Figure IV.2) lors de l’expérimentation multi-locale sur le bassin versant du Mercier.

SPP Pollionnay MercierBS Camping

SPP 1 N=42 N=25 N=16

Pollionnay 0,892 p<0,01 1 N=20 N=9

MercierBs 0,926 p<0,01 0,968 p<0,01 1 N=12 Camping 0,802 p<0,01 0,884 p<0,01 0,950 p<0,01 1

Ces résultats confirment que le pluviomètre située en position centrale « MercierBS » est le meilleur compromis pour fournir la lame d’eau d’un épisode pluvieux représentative de l’ensemble du bassin versant du Mercier. Ce pluviomètre est donc prioritaire pour fournir les variables pluviométriques nécessaires à l’analyse du fonctionnement multi-local du réseau hydrographique. En cas de lacunes, les valeurs mesurées par le second pluviomètre disponible présentant les meilleures corrélations sont utilisées. Cependant la relative faiblesse de liaison entre les mesures des pluviomètres localisés sur les reliefs et en plaine est le signe d’une hétérogénéité fréquente de la pluie qu’il est nécessaire de contrôler pour exploiter les observations multi-locales.

3.2.2 Sélection d’épisodes pluvieux « exploitables » pour l’analyse multi-locale

Sur la cinquantaine d’épisodes pluvieux disponibles sur la période d’expérimentation, seulement 31 d’entre eux ont pu être étudiés conjointement avec des données limnimétriques (Figure IV.10).

La moitié de ces épisodes présentent une pluie totale inférieure à 20 mm. Les deux tiers d’entre eux ont eu lieu entre avril et septembre. Les deux principaux critères de sélection des épisodes jugés les plus pertinents sont les suivants dans l’ordre d’utilisation :

Réponses hydrologiques multi-locales interprétables

La grande majorité des épisodes inférieurs à 10mm et/ou d’intensité moyenne inférieure à 2 mm h^-1 n’ont pas généré des réactions significatives des stations aval les plus réactives. La lecture des limnigraphes est alors difficile pour une majorité de stations du fait notamment de la faible précision des capteurs utilisés. L’intérêt d’analyser ces épisodes est donc très limité. Seuls quelques épisodes ont été conservés en deçà de 10 mm de pluie lorsque l’intensité était suffisante pour générer une réponse interprétable dans une majorité de stations.

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Figure IV.10 : Histogramme de répartition des 31 épisodes pluvieux disponibles pour l’analyse des chroniques limnimétriques en 4 classes de pluie totale.

Unité et homogénéité de l’épisode :

Pour filtrer les épisodes pluvieux selon l’homogénéité spatiale et temporelle de la pluie, une tolérance maximale de 30% d’écart de pluie totale ou de décalage temporel a été appliquée entre les pluviomètres. Les écarts d’intensité sont généralement modestes et ne sont pas pris en compte. Lorsque les écarts entre les valeurs des pluviomètres internes au bassin du Mercier dépassent le seuil proposé, l’épisode pluvieux est considérée comme très hétérogène. Il devient délicat d’une part de lier la réponse observée dans les diverses stations limnimétriques aux caractéristiques de la pluie mesurée par les pluviomètres, et d’autre part d’analyser le rôle d’autres facteurs déterminant que la pluie.

3.2.3 Définition des variables pluviométriques utilisées

Huit variables pluviométriques sont extraites de la sélection d’épisodes pluvieux effectuée pour être analysées en lien avec la réponse hydrologique des stations multi-locales. Ces variables ont pour intérêt de pouvoir distinguer les stations dont la réponse est plutôt déterminée par un stockage de pluie antérieure et/ou par une quantité d’eau précipitée et/ou par une vitesse élevée de précipitation. Ces variables sont déterminantes car elles peuvent contrôler des seuils de déclenchement ou entretenir différents processus hydrologiques qui alimentent le réseau de drainage.

Pluie totale (notée « Pluie ») :

Il s’agit de la pluviométrie totale enregistrée en mm sur la durée de l’épisode pluvieux. Le but est de vérifier dans quelle mesure la réponse dans les diverses stations du réseau est liée à la quantité de pluie.

Durée de l’épisode pluvieux en heure (notée « Durée ») : Il s’agit de l’intervalle entre le début et la fin des précipitations.

Intensité moyenne horaire (notée « Imoy ») :

Il s’agit du rapport entre volume et durée de l’épisode pluvieux. Le pas horaire a été choisi car le bassin versant du Mercier n’est pas caractérisé par des réponses très rapides basées sur une dominante systématique de ruissellements hortoniens. Cet indice peut permettre de discriminer les stations dont la réponse est particulièrement liée à l’intensité pluvieuse et donc à des ruissellements de nature hortonienne.

Intensité maximale horaire (notée « Imax ») :

Il s’agit du volume de pluie maximal enregistré sur une durée d’une heure pendant l’épisode pluvieux. Cet indice est complémentaire à l’intensité moyenne

0 5 10 15 20 20 35 50 ou plus...

Classes pluie totale (mm)

N b é p is o d e s p lu v ie u x _

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horaire et permet de discriminer les stations dont la réponse est potentiellement sensible à une concentration rapide du ruissellement.

Indice de pluie antérieure (notée « IPA ») :

L’indice de pluie antérieure (IPA) permet de représenter le niveau d’humidité des sols. L’IPA est calculé ici au moyen de la formule utilisée par Girard (1975) :

C

Pm

IPA

IPA

j

=(

j−1

+

j−1

)⋅

(Equ.4.3) Pmj-1 : pluie moyenne totale du jour j-1

IPAj-1 : indice des précipitations antérieures à j-1 IPAj : indice des précipitations antérieures à j C : coefficient compris entre 0 et 1

La valeur de C pour le calcul de l’IPA (Equ.4.3) est de 0,8. Cumuls pluviométriques antérieurs (notées « Ant.n j ») :

Les cumuls pluviométriques sont calculés à n=5, 10 et 30 jours antérieurs à l’épisode pluvieux. Leur usage permet de discriminer les stations dont la réponse est associée à l’humidité antérieure. Cette liaison peut être le signe de l’activité de nappes locales qui agissent sur la réponse hydrologique. Les antécédents pluvieux contribuent en effet à des stocks locaux dans des zones saturées qui peuvent potentiellement être mobilisés lors d’une crue. Un niveau de saturation élevé en préalable à un épisode important peut également renforcer la réponse hydrologique.

3.2.4 Description des épisodes pluvieux sélectionnés

Les caractéristiques des distributions statistiques des huit variables pluviométriques retenues sont présentées dans le Tableau IV.VIII. Les variables pluie, durée, Imax, et Ant.30j sont assez centrées autour de leur moyenne alors que les autres variables pluviométriques sont plus dispersées à cause de plusieurs épisodes possédant des valeurs très élevées par rapport à la moyenne. Tableau IV.VIII : Statistiques des variables pluviométriques obtenues sur le pluviomètre « MercierBS » et issues de l’échantillon d’épisodes pluvieux sélectionnés.

Statistiques ^Pluie (mm) Durée (h) Imoy (mm/h) Imax

(mm/h) ^{IPA Ant.5 j Ant.10 j Ant.30 j}

Moyenne 24,08 4,93 8,03 11,04 4,83 8,42 22,12 57,52 Médiane 20,00 4,68 6,41 8,00 2,85 3,40 16,40 46,20 Écart-type 16,63 3,40 7,54 8,22 5,45 10,55 21,69 36,36 Plage 67,50 11,30 35,29 34,25 21,74 37,00 83,00 137,20 Minimum 6,25 0,20 1,71 2,75 0,03 0,00 0,00 14,60 Maximum 73,75 11,50 37,00 37,00 21,77 37,00 83,00 151,80 Nombre d'épisodes 31 31 31 31 31 31 31 31

L’analyse en composante principale effectuée sur les huit variables pluviométriques de cette série atteint 62% de la variance totale sur les 2 premiers axes factoriels (Figure IV.11). On observe la diversité intéressante des épisodes sélectionnés malgré un effectif relativement modeste.

156 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 -1 .0 -0 .5 0 .0 0 .5 1 .0 Dimension 1 (35.36%) D im e n s io n 2 ( 2 7

Dans le document MNT et observations multi-locales du réseau de drainage d'un petit bassin versant rural dans une perspective d'aide à la modélisation spatialisée (Page 167-171)