Les transferts de l'eau au sein des bassins versants

De manière générale, le devenir de l'eau dans un bassin versant après une précipitation peut être

schématisée sous deux cheminements principaux : d’une part le ruissellement et d’autre part les

écoulements souterrains alimentés par l’infiltration (percolation et écoulement de nappe). Les

différents processus d’écoulement et de transferts au sein des hydrosystèmes sont synthétisés dans la

(Figure I.11).

Figure I.11 : Les principaux écoulements d’eau au sein des bassins versants.

I.4.1. Les précipitations et l'évapotranspiration

On appelle précipitation l'eau qui tombe de l'atmosphère sous forme liquide ou solide. Elle résulte de

la condensation de l'humidité dans l'atmosphère en raison du refroidissement d'un volume d'air. Les

précipitations constituent la composante fondamentale de l’hydrologie et la connaissance de cet

apport d’eau au sol est essentielle pour comprendre l’état des réserves en eau de sol, la recharge des

nappes et le régime des cours d’eau. La précipitation se produit sous diverses formes. La pluie est une

précipitation qui est à l'état liquide lorsqu'elle atteint le sol. Les précipitations qui tombent sur le sol à

l'état solide ne peuvent pas faire partie du ruissellement jusqu'à ce que la fusion se produise. Le temps

entre la chute et la fonte, qui induit un stockage et surtout une accumulation de cette eau sous forme

solide, conditionne profondément le régime du cours d’eau. Après la chute, la pluie subit des

prélèvements successifs (Cosandey et al., 2012) qui permettent de qualifier une pluie en terme de :

• Pluie nette, pour la pluie qui arrive au sol après les prélèvements de l’interception.

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• Pluie efficace, terme utilisé par les hydrogéologues, est celle qui participe aux écoulements (la

partie qui attient la nappe et recharge la réserves hydrologique et la partie qui ruisselle

jusqu’au cours d’eau.).

L'évaporation est le processus par lequel l'eau de la surface des terres et de l'eau est transformée en

vapeur d'eau et retourne dans l'atmosphère. Il se produit continuellement lorsque l'air est saturé et les

températures sont suffisamment élevées. L'évaporation à partir des océans est le principal mécanisme

qui supporte la partie du cycle de l'eau de la surface vers l'atmosphère. La grande surface des océans

(plus de 70 pour cent de la surface de la Terre est recouverte par les océans) offre la possibilité que

l'évaporation se produise à grande échelle. À l'échelle mondiale, la quantité d’eau évaporée est

environ la même que la quantité d'eau rendue à la Terre sous forme de précipitations. Mais

l'évaporation est plus répandue dans les océans que les précipitations, tandis que sur la terre, les

précipitations dépassent régulièrement l'évaporation. La plus grande partie de l'eau qui s'évapore des

océans retombe dans les océans sous forme de précipitations. Seulement environ 10 pour cent de

l'eau évaporée des océans est transporté sur la terre et tombe sous forme de précipitations. Dans un

bassin versant, l'évaporation se produit de plusieurs façons : l'évaporation de la pluie et de la neige

interceptée, l'évaporation du sol nu et plans d'eau, tels que les étangs, les lacs et les cours d'eau, et la

transpiration des feuilles (Redding et Devito, 2008). L’évapotranspiration regroupe à la fois les flux

d'évaporation physique et de transpiration biologique. La transpiration est l'élimination physique de

l'eau du bassin versant par les actes de la vie liés à la croissance de la végétation. Dans le processus

de la respiration, les plantes au sens large consomment l'eau du sol et de la vapeur d’eau dans l'air par

leur feuillage. Ce processus n'est significatif que lorsqu'il est considéré sur une longue période de

temps, et a un effet minime sur les eaux de ruissellement résultant d'un seul orage pour un bassin

versant.

I.4.2. L’infiltration

L'infiltration est l'écoulement d'eau dans le sol par percolation à travers celui-ci. C’est un processus

très complexe qui dépend de nombreux facteurs tels que le type de sol, la couverture végétale, les

conditions d'humidité ou la durée de temps sec depuis la dernière précipitation, l'intensité des

précipitations et de la température. L'infiltration est souvent le phénomène d’abstraction le plus

important dans la détermination de la réponse hydrologique d'un bassin versant après des

précipitations. C'est pourquoi on trouve plusieurs modèles pour estimer l'infiltration dans un bassin

versant. Parmi ceux-ci, nous pouvons retenir deux grandes approches :

• Une approche basée sur des relations empiriques, à 2, 3 ou 4 paramètres (par exemple,

la formule de Horton et la formule de l'Institut d'Aménagement des Terres et des Eaux

de l'EPFL) (Bennis, 2007).

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• Une approche à base physique (par exemple, le modèle de Philip et le modèle de Green

et Ampt) (Hingray et al., 2009).

I.4.3. Le ruissellement

L'eau qui ne s’est pas infiltrée quitte le bassin versant par le ruissellement de surface. La vitesse

d'écoulement ou ruissellement à un instant donné, en termes de volume par unité de temps, est appelé

décharge. Quelques caractéristiques de ruissellement qui sont importantes pour la compréhension du

phénomène sont: (1) le débit maximal ou pic du taux d'écoulement; (2) la variation de décharge en

fonction du temps ; (3) la relation hauteur-débit; (4) le volume total de l'écoulement; et (5) la

fréquence de décharge d’amplitude spécifiée susceptibles d'être égale ou supérieure à une certaine

valeur (probabilité de dépassement) (Musy et Higy, 2004 ; Cosandey, 2012).

Les variations spatiales et temporelles des précipitations et les variations simultanées des processus

d'abstraction individuels déterminent les caractéristiques du ruissellement d'un évènement donné.

Quelques-uns des nombreux facteurs qui déterminent le caractère hydraulique du ruissellement

naturel sont la surface de ruissellement, la pente, la rugosité hydraulique, les conditions d'humidité

antécédentes, l'urbanisation et d'autres facteurs. L'effet que chacun de ces facteurs a sur le

ruissellement est souvent difficile à quantifier.

Normalement nous distinguons deux types de ruissellement :

• L’écoulement par dépassement de la capacité d’infiltration (écoulement hortonien). Ce type

d’écoulement se produit sur des sols très faiblement perméables, comme des argiles ou des marnes. Il

peut également se produire lorsque le sol est tassé en surface, notamment sur les chemins, les zones

de forte concentration en troupeaux, les portions de champs subissant le passage répété d’engins

agricoles. Le ruissellement hortonien survient lorsque l’intensité de la pluie (IP en mm/h) est

supérieure à la capacité d’infiltration du sol (CI en mm/h).

- Si IP <CI : il n’y a pas de ruissellement

- Si IP>CI : il y a ruissellement R avec R=P-CI.

• L’écoulement sur surfaces saturées. Il se produit lorsque la capacité du sol à stocker l'eau est

épuisée et lorsque la capacité à transmettre latéralement le flux d'eau est dépassée. Par conséquent,

l'eau ne pourra plus s'infiltrer et va s'écouler en surface. Dans ce type de ruissellement, les pluies (P)

qui tombent sur un bassin versant ne peuvent pas s’infiltrer et ruissellent vers la rivière : dans ce cas

R=P et I=0 (avec I, infiltration). Contrairement au ruissellement hortonien, les quantités ruisselées

ne dépendent pas de l’intensité des pluies.

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I.4.4. Les écoulements de subsurface et souterrains: percolation et écoulements de nappe

I.4.4.1. Les écoulements dans le sol

a) Alimentation et stockage d’eau

La teneur en eau est fonction de la porosité et de la perméabilité du sol. Le volume maximal d’eau

qu’un sol peut contenir correspond à la capacité de rétention du sol qui dépend essentiellement de la

texture du sol. Elle diminue des argiles vers les limons et les sables. Lorsque la capacité de rétention

est atteinte, l’eau se situe dans les porosités gravitaires où elle va percoler ou rejoindre la nappe

(Cosandey et al., 2012).

b) Déplacement de l’eau dans le sol : processus de percolation

La percolation désigne l’écoulement de l’eau dans le sol (milieu poreux proche de la saturation) en

direction de la nappe phréatique, sous l’influence majeure de la gravité. Ce processus succède à

l’infiltration et participe majoritairement à l’alimentation en eau des nappes souterraines.

L’augmentation de la teneur en eau en surface sous l’effet des précipitations ne détermine pas

automatiquement un transfert en profondeur : l'eau peut rester retenue dans le sol par les forces

d’attraction exercées par le sol sur l’eau (force de capillarité). Dans le sol, l’eau s’écoule

essentiellement verticalement, sous l’effet de la gravité. Des écoulements horizontaux peuvent se

développer localement dans le cas où un horizon de sol peu perméable est présent à faible

profondeur, par exemple au niveau d’une semelle de labour.

I.4.4.2. Les écoulements dans la nappe

a) Alimentation et stockage d'eau dans la nappe

La nappe est alimentée par l’eau de la recharge. La capacité de stockage des nappes dépend de la

porosité de la roche mère (volume des fissures). Seule une fraction du volume d’eau contenu dans les

nappes, l’eau gravitaire, est mobile. L’autre fraction, l’eau de rétention, n’est pas mobilisable, car elle

est retenue dans les vides, à la surface des grains ou des parois des fissures, par des forces supérieures

à celle de la gravité. Le volume d’eau mobile est caractérisé par la porosité efficace, correspondant au

rapport du volume d'eau gravitaire au volume total de la roche saturée en eau (Magnan, 1999).

b) Déplacement de l’eau dans la nappe

Dans la nappe, la gravité et la pression font migrer l’eau du point haut du bassin versant vers la

rivière ou point bas. Les écoulements de nappe sont essentiellement latéraux : la circulation de l’eau

au sein de la nappe suit le champ de potentiel et se fait selon des boucles qui peuvent s’approfondir si

elles ne sont pas limitées par une barrière imperméable.

La vitesse de transfert de l’eau dans la nappe dépend :

-De la conductivité des milieux : celle-ci est liée à la nature des milieux traversés (nature de la

roche mère, degré d’altération). Les propriétés physiques des milieux vont conférer aux « réservoirs

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hydrologiques » des propriétés différentes. La conductivité des milieux est constante dans le temps

mais très variable dans l’espace au sein d’un même bassin versant, et d’un bassin à l’autre.

- Des gradients hydrauliques : les écoulements de nappe sont déterminés par la différence de

charge hydraulique entre deux points. Le gradient hydraulique correspond à la pente de la surface de

la nappe. Plus ce gradient est fort, plus la vitesse de transfert est élevée. Le gradient hydraulique est

variable au cours du temps : les pluies hivernales contribuent à l’augmentation du gradient par la

mise en charge de la nappe (Musy et Higy, 2004).

Dans le document Pollution anthropique de cours d'eau : caractérisation spatio-temporelle et estimation des flux (Page 36-40)