CHAPITRE 1 : INTRODUCTION (correction 16 décembre 1985).
Pour ouvrir· ce livre d'hydrologie, nous voudrions préciser ses ambitions et com
menter son architecture mais d'abord définir précisément son objet. Cefa n'est sans doute pas inutile car les contours de l'hydrologie, science de l'eau selon l'étymologie, apparaissent quelque peu flous dans la nébuleuse des "Sciences de l'Eau". Si Réminiéras (1968) [ 1968} donne de l'hydrologie une définition extrêmement large, la science du cycle de l'eau dans la nature, l'hydrologie de Morette (19611) a une connotation strictement médicale. Nous limiterons dans ce livre notre objet à l'étude de la partie continentale du cycle de l'eau, aux milieux qui la composent et aux phénomènes physiques et chimiques qui s'y déroulent. Nous ne nous intéresserons ni à l'atmosphère ni aux océans, ce qui peut poser quelques problèmes méthodologiques car
��ilisation et la transformation des bassins versants sont susceptibles d'avoir des
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effets climatiques (Eagfeson, 1982) et donc de modifier les conditions dans lesquelles fonctionne le système que nous considérons. L'échelle spatiale des unités hydrologiques auxquelles nous nous intéresserons, de quelques kilomètres à quelques centaines de kilomètres, est cependant beaucoup plus petite que celles des circulations atmosphériques ou océaniques qui conditionnent le climat. Par contre, l'exclusion des phénomènes biologiques se déroulant dans les milieux aquatiques continentaux est plus délicate car ils peuvent avoir une influence non négligeable sur les phénomènes physico-chimiques auxquels nous nous intéressons. En fait, sans faire d'hydrobiologie, nous serons amenés à en considérer certains aspects à travers l'étude, en particulier dans les lacs, du cycle biogéochimique de certains éléments (carbone,
azote, phosphore). .
La partie du cycle de l'eau qui nous intéresse est celle dont le comportement affecte le plus les communautés humaines, à travers les sécheresses ou les inondations, par exemple, mais qui, réciproquement, subit les plus fortes sollicitations d'origine hmaine, qu'il s'agisse des prélèvements domestiques, agricoles ou industriels, des , .-jets d'eaux usées, ou des aménagements destinés à la navigation ou à la production d'énergie. La frontière entre l'hydrologie fondamentale et l'hydrologie appliquée sera donc toujours t
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nue et nous ne nous risquerons pas à la tracer.Trop souvent l'étude de cette partie du cycle de l'eau a été arbitrairement morcelée, privilégiant à l'excès un milieu (surface versus souterrain), un aspect (quantité versus qualité).ou une approche (déterministe versus stochastique). Face à de telles attitudes, ce livre représente d'abord un effort de rapprochement et de synthèse des connaissan
ces acquises, de réflexion sur l'adéquation des méthodes et des techniques aux objectifs poursuivis, ce qui devrait en faire une médecine efficace contre toutes les "hydroschizo
phrénies" (Liamas, 197'1).
L'évolution de l'hydrologie scientifique a été marquée au cours des vingt dernières années par une évolution rapide dont ce livre entend rendre compte sous une forme à la fois accessible et rigoureuse. Cette évolution, impulsée par l'urgence et l'importance de
· problèmes à résoudre, est due à la conjugaison de deux facteurs. Le premier est l'uti ·
�ation de plus en plus large du langage et des méthodes mathématiques en hydrologie . . us exactement, reprenant l'expression de Bachelard (1972), nous parlerons d'informa
tion mathématique des phénomènes hydrologiques. Le second facteur est l'apparition, puis la banalisation, de l'informatique qui, en hydrologie comme dans d'autres discipli ·
nes, n'a pas seulement permis de multiplier la puissance de calcul mais a provoqué une véritable mutation des concepts et des méthodes.
L'information mathématique des phénomènes étudiés est un signe de la maturité d'une science. Les mathématiques ne permettent pas seulement de formaliser des connaissan·
ces. Elles ne constituent pas seulement un langage, aussi évolué soit-il, mais jouent un rôle fondamental dan.s la production des concepts. Seule l'abstraction qu'elles véhicu · lent permet de dépasser la connaissance immédiate, subjective et qualitative pour atteindre une connaissance rationnelle, objective et quantitative.
Cette fonction du langage mathématique est particulièrement importante dans le domaine de l'eau qui, en raison sans doute de sa familiarité, est notoirement chargé de symbolismes, d'impressions, c'est-à-dire de subjectivité·. La quantification, étape né·
cessai re de la mathématisation, n'est d'ailleurs pas exempte de dangers. Ecoutons '
ft"-.."chelard (1972) à ce sujet. "On se tromperait si l'on pensait qu'une connaissance 4uantitative échappe en principe aux dangers de la connaissance qualitative. La gran·
deur n'est pas automatiquement objective et il suffit de quitter les objets usuels pour qu'on accueille les déterminations quantitatives les plus fantaisistes. Comme l'objet scientifique est toujours par certains côtés un objet nouveau, on comprend tout de suite que les déterminations premières soient presque fatalement mal venues. Il faut de longues études pour qu'un phénomène nouveau fasse paraÎtre les variables convena·
bles".
L'hydrologie n'échappe évidemment pas à ces dangers et quelques-unes d'e ses branches conservent encore un caractère pré-scientifique, marqué par une quantifica
tion partielle ou confuse, ou par des concepts mal définis ou inappropriés. Ainsi, si l'hydrologie utilise abondamment les concepts et les méthodes de l'algèbre, de l'analyse, des statistiques et du calcul des probabilités, elle ne manipule qu'une géométrie très sommaire. Les objets fractals, dont Mande/brot (1975, 1982) suggère quelques applica·
tions hydrologiques (figure 1.1), amèneront peut-être, mais ceci est encore du domaine de la recherche, les moyens d'une description géométrique des milieux qui fait parfois
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uellement défaut (milief.!x fissurés). ·
Le dichotomie "qualité-quantité", presque universellement pratiquée, nous semble aussi être un obstacle conceptuel important. Ses racines historiques sont évidentes.
L'hydraulique souterraine et l'hydraulique fluviale, issues de la mécanique des fluides, se sont d'abord attachées à quantifier l'écoulement d'eaux supposées homogènes et ont introduit les grandeurs nécessaires à cette tâche (débit, vitesse, charge, ... ) . D'un aut�e côté, ce sont les utilisateurs d'eau, et les biologistes, qui se sont d'abord inté·
ressés à la qualité de l'eau, c'est-à-dire aux propriétés physico-chimiques de l'eau (température, gaz et', sels dissous, etc.) considèrée. comme une matière première ou comme un milieu de vie. En fait, il s'agit toujours de grandeurs mesurables, s'expri
mant par des nombres, selon des unités bien déterminées et l'on sait qu'elles s'influen·
çent à travers le jeu des phénomènes qui se déroulent dans les milieux aquatiques (que l'on pense, par exemple, aux lacs et aux aquifères côtiers). Il n'est pas possible de faire l'économie d'une étude de la nature, de l'intensité et de la hiérarchie de ces phénomènes dans un milieu particulier. La dichotomie quantité-qualité, en faisant de la
�conde un épiphénomène, entretient cependant la dangereuse illusion selon laquelle il serait possible, en toutes circonstances, d'appréhender l'écoulement indépendamment de tout autre processus.
z
Il n'est pas possible d'évoquer les progrès accomplis au cours des dernières décen
nies dans la quantification des phénomènes hydrologiques et leur information mathéma
tique sans souligner le rôle éminent de l'informatique qui les a, à l'évidence, soutenus et amplifiés même si une certaine complaisance par rapport à l'outil informatique a pu être notée (Kiemes, 1982). Les calculateurs analogiques furent d'abord les plus utilisés.
Dans le célèbre "Handbook of applied hydrology" (Chow, 196'1), 86 références sont consacrées aux applications hydrologiques des calculateurs analogiques contre 52 à celles des calculateurs digitaux. Ce sont néanmoins ces derniers qui, en raison de leur souplesse d'utilisation, de l'augmentation fantastique de leur puissance et de la chute spectaculaire de leur coût, devaient connaÎtre le plus brillant développement, ju�qu'à pratiquement éliminer leurs concurrents analogiques, dont nous ne parlerons donc pas dans ce livre.
À
cet égard, il est révélateur de noter que s'il était fait explicitement---ntion des calculatrices analogiques dans l'intitulé du colloque de Tucson tenu en 1968
(AISH, UNESCO, 1968), celles-ci disparaissent de l'objet du colloque de Varsovie en 1971, consacré aux seuls modèles mathématiques (AISH, UNESCO, OMM, 1971).
Nous ne nous attarderons pas ici sur la définition, les concepts et la typologie des modèles mathématiques en hydrologie. Le chapitre deux est entièrement consacré à ces sujets. Quant aux réalisations et aux applications, elles apparaÎtront tout au long de l'ouvrage. Nous dirons simplement ici qu'un modèle mathématique est une construction où l'on peut nouer un faisceau de connaissances et d'hypothèses et les confronter à des données. C'est à ce titre, pour autant que l'on sache et l'on veuille (e dépasser, qu'un modèle peut devenir, à chaque instant, un irremplaçable instrument de synthèse et d'in
vestigation. C'est pour cela que nous nous attacherons dans ce livre à défendre et à illustrer la modélisation hydrologique. De nouveaux développements sont souhaitables dans ce domaine. Trop souvent, les programmes traduisant et susceptibles d'animer les modèles mathématiques manquent de souplesse au niveau de leur utilisation. Malgré quelques tentatives intéressantes (Williams et Haan, 1972), de gros efforts restent à l4.!.,re pour disposer de systèmes experts capables de rechercher automatiquement dans
s banques de données et de programmes les éléments nécessaires à l'élaboration de réponses précises à des questions complexes formulées dans un langage simple.
Nous avons déjà souligné la vocation de l'hydrologie a être rapidement et directe
ment appliquée à la résolution de problèmes concrets, c'est-à-dire à devenir opération
nelle. Selon Klemes (197 5), "dans l'optique de la gestion des eaux, la tâche fondamen
tale de l'hydrologue sera de fournir des données sur la répartition dans le temps et dans l'espace des eaux qu'il est possible de mobiliser, c'est-à-dire de redistribuer dans le temps et dans l'espace par des travaux tels que barrages, canaux, puits, canalisa
tions, pompes et autres ouvrages et machines". On devrait sans doute ajouter à la notion de répartition des eaux celle de leurs propriétés physiques et de leur composi
tion chimique. Signalons, de plus, que rien n'interdit à l'hydrologue de fournir l'en
semble de ces données sous une forme élaborée, celle de modèle mathématique de bassin ou de processus stochastique, par exemple. Mais il faut bien se pénétrer du fait que ces données, pour indispensables qu'elles soient, ne sauraient suffire pour élaborer des réponses à toutes les questions relatives à l'aménagement et à la gestion des eaux.
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!S problèmes sont au fond ceux qui se posent dans toute entreprise industrielle.
Tribus (1972) note que le projet d'ingénierie exige l'établissement d'une échelle des valeurs permettant d'apprécier l'intérêt du projet et qu'il est tout à fait insensé d'entre
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prendre un projet avant d'avoir défini les valeurs à l'aide desquelles Je projet sera jugé. Or, l'hydrologue ne saurait fournir cette échelle des valeurs. Son élaboration dépend, de toute évidence, de facteurs techniques, économiques, financiers et sociaux qui ne sont pas de son ressort mais de celui des maÎtres d'ouvrages, qu'il s'agisse d'in
dividus ou de collectivités, publiques ou privées (Erhard-Cassegrain et Margat, 1983;
Hubert, 1984). Implicites ou explicites, les notions d'échelle de valeurs, de critère de choix, �ont toujours présentes dans les problèmes d'aménagement et de gestion des eaux. A la limite, il n'est pas possible de parler de ressources en eau indépendamment de ces notions. Une eau naturelle n'est pas a priori une ressource (Margat et al., 1979). Elle le devient, à la suite d'un choix, sous tendu par un jugement ou une éva
luation qui entraÎnent la mise en oeuvre d'un véritable processus de production. L'en
semble de ces problèmes échappent à notre propos strictement hydrologique et ils ne ,__,.ont donc pas traités ici. Nous voudrions malgré tout souligner combien les méthodes
t; .. les outils de l'hydrologie moderne, et en particulier les modèles mathématiques, ont influencé et transformé le cadre méthodologique et la pratique de l'aménagement et de la gestion des eaux. Ainsi, des modèles de systèmes d'utilisation d'unités hydrologiques peuvent se substituer avec bonheur aux traditionnels bilans de ressources et de besoins (CEE, 1974). Ces derniers, simples bilans comptables, ne permettent de tra
duire ni la complexité des cheminements de l'eau (utilisations en cascade), ni l'intrication spatiale et temporelle des différentes grandeurs qui la caractérisent. Les modèles mathématiques peuvent au contraire restituer l'information dont ils disposent à propos des unités hydrologiques étudiées sous une forme à la fois riche et vivante. Ils permettent en particulier une véritable mise en scène de scénarios d'aménagement et de gestion dont on peut étudier et évaluer certains effets. C'est là leur utilisation en mode de simulation. Par ailleurs, le formalisme des modèles mathématiques se prête bien à l'utilisation des méthodes de la recherche opérationnelle pour autant qu'on leur adjoigne une fonction objectif, expression quantifiée de. l'échelle des valeurs dont nous avons parlé plus haut. C'est là leur utilisation en mode d'optimisation qui permet rfois la recherche directe d'aménagements optimaux et/ou de règles d'exploitation optimales. Le cadre méthodologique de tels travaux remonte à Massé (1946). Ils ont connu, en particulier après les travaux de Mass et al. (1962), d'importants développe
ments théoriques, fait l'objet d'une abondante littérature et été appliqués à d'assez nombreux problèmes concrets.
·
Notre livre comprend essentiellement deux parties, les chapitres, d'une part, et les fich.es, d'autre part, auxquelles s'ajoutent une bibliographie et un index.
Les chapitres constituent la matière proprement hydrologique de notre propos. La plupart d'entre eux sont consacrés au comportement de l'eau, ou plus exactement des grandeurs qui la caractérisent, dans des milieux spécifiques: la couverture neigeuse (chapitre 5), la zone non saturée (chapitre 6), la surface du sol (chapitres 7 et 8), les rivières (chapitre 9), les lacs (chapitre 10), les nappes souterraines (chapitre 11), les karsts (chapitre 12).
À
ces chapitres, nous associerons le chapitre 4 consacré à l'évapotranspiration. Ces chapitres procèdent essentiellement d'une approche déterministe, l'objectif étant généralement de traduire sous forme de relations quantifiées entre -1uses et effets ou entre entrées et sorties les phénomènes qui se déroulent dans les différents milieux.
À
cet égard, le chapitre 13, consacré aux modèles de bassins, est, pour une part, une extension de cette approche non plus à un milieu particulier mais à un objet hydrologique complexe, le bassin, constitué d'une juxtaposition de milieux.4
Les chapitres 3 (Précipitations) et 1� (Flux en rivières) procèdent par contre d'une approche stochastique, l'évolution d'une ou de plusieurs grandeurs au cours du temps et/ou à travers l'espace étant étudiée indépendamment de ses causes. Quelle que soit la couleur de l'approche, déterministe ou stochastique, il s'agit toujours de proposer des modèles mathématiques pertinents eu égard aux données disponibles et/ou aux objectifs poursuivis, modèles dont le formalisme et la typologie sont présentés dans le chapitre 2. Enfin,
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chapitre. ·."chapitre. 15 /.s ':l /;;.
consacré 7 la méthodologie d'acquisition, de mise en forme et de critique des données hydrolo ques qui consti·tuent de toute évidence les matières premières de tout modèle hydrolog, que.
Nous avons évoqué plus haut la généralisation de l'information mathématique des phénomènes hydrologiques. Celle-ci nécessite évidemment la mani
p
ulation de concepts et de méthodes qui ne sont pas nécessairement familiers à l'ensemble de ceux qui s'inté·ssent à l'hydrologie. Il nous a donc semblé utile, pour certains de ces concepts ou c:ertaines de ces méthodes, de ne pas simplement renvoyer le lecteur à des ouvrages spécialisés parfois peu accessibles, mais d'en faire une brève présentation sous forme de fiches. Ce point de vue a également été appliqué à certaines questions concernant l'analyse numérique, la chimie et la géochimie des eaux.
Nous voudrions aussi, avant de terminer cette introduction, dire quelques mots des méthodes de travail qui ont été adoptées lors de la rédaction de ce livre. Compte tenu de l'étendue du sujet, il était nécessaire de faire appel à d'assez nombreux spécialistes des différentes questions qui nous souhaitions voir traiter. Mais, parallèlement, nous avons rejeté la formule consistant à simplement juxtaposer des contributions qui ne seraient au fond reliées que par une reliure. Malgré l'inégal développement des diffé
rents sujets abordés, malgré des approches qui peuvent apparaÎtre antagonistes, nous avons voulu tenter de créer une réelle unité de l'ouvrage. Pour ce faire, chaque version de chaque chapitre ou fiche, élaborée par un spécialiste, a été relue, criti · quée, modifiée, complétée par l'ensemble des collaborateurs de l'ouvrage avant d'être c.emaniée par son auteur initial. ' Deux universitaires, non engagés dans la rédaction itiale, et deux étudiants de troisième cycle ont également été impliqués dans les phases ultimes de relecture. Nous pensons ainsi avoir réalisé un ouvrage réellement collectif reflètant fidèlement les différentes facettes de l'hydrologie scientifique contem
poraine, mettant en évidence, sans dogmatisme, leurs forces et leurs faiblesses.
Enfin, nous ne voudrions pas terminer cette introduction sans souligner que cet ouvrage est écrit en français, ce qui n'est pas, aujourd'hui, sa moindre originalité!
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