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Volume I
Hydrologie – De la mesure à l’information hydrologique
OMM-N° 168
P-CLW_9605
pratiques hydrologiques
Volume I Hydrologie –
De la mesure à l’information hydrologique
OMM-N° 168
Sixième édition
2012
© Organisation météorologique mondiale, 2008
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Supplément
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TABleAu PouR NoTeR leS SuPPlémeNTS ReçuS
PRéFACE ... xiii REMERCIEMENTS ... xv ChAPITRE 1. INTRoDuCTIoN ... I.1-1 1.1 Contexte ... I.1-1 1.2 Champ d’application ... I.1-1 1.3 Contenu du Guide ... I.1-2 1.4 Le Système hydrologique opérationnel à fins multiples ... I.1-4 Bibliographie et lectures complémentaires ... I.1-5 ChAPITRE 2. MéThoDES D’oBSERVATIoN ... I.2-1 2.1 Introduction – Le cycle hydrologique, objet d’observation ... I.2-1 2.2 Systèmes d’information pour les ressources en eau ... I.2-2 2.2.1 Besoins en données et informations ... I.2-2 2.2.2 Systèmes d’information hydrologiques ... I.2-3 2.2.3 Utilisation des informations sur les ressources en eau ... I.2-5 2.2.4 Types d’informations concernant la ressource en eau ... I.2-6 2.3 Symboles hydrologiques, codes et précision des mesures ... I.2-7 2.3.1 Unités et symboles ... I.2-7 2.3.2 Codes hydrologiques ... I.2-7 2.3.3 Exactitude des mesures hydrologiques ... I.2-13 2.3.4 Étalonnage des instruments ... I.2-18 2.4 Conception et évaluation des réseaux hydrologiques ... I.2-18 2.4.1 Principes généraux pour la conception des réseaux ... I.2-18 2.4.2 Densité des stations d’un réseau ... I.2-25 2.4.3 Besoins spécifiques au contrôle de la qualité de l’eau ... I.2-30 2.4.4 Réseaux opérationnels d’acquisition des données ... I.2-36 2.4.5 Options stratégiques pour les réseaux ... I.2-37 2.5 Collecte des données ... I.2-37 2.5.1 Choix du site ... I.2-37 2.5.2 Identification de la station ... I.2-37 2.5.3 Fréquence et programme des visites à la station ... I.2-41 2.5.4 Maintenance des sites ... I.2-43 2.5.5 Observations ... I.2-43 2.5.6 Systèmes de transmission ... I.2-46 2.5.7 Suivi de la qualité des eaux ... I.2-48 2.5.8 Collecte de données particulières ... I.2-49 2.6 Mesure des caractéristiques physiographiques ... I.2-51 2.6.1 Généralités ... I.2-51 2.6.2 Systèmes de référence ... I.2-52 2.6.3 Mesures ponctuelles ... I.2-53 2.6.4 Mesures linéaires ... I.2-53 2.6.5 Mesures de superficie ... I.2-57 2.6.6 Mesures de volumes ... I.2-60 2.6.7 Information géographique ... I.2-60 2.6.8 Nouvelles technologies ... I.2-61 2.6.9 Formation du personnel ... I.2-62 Bibliographie et lectures complémentaires ... I.2-63 Page
ChAPITRE 3. MESuRE DES PRéCIPITATIoNS ... I.3-1 3.1 Conditions générales: exactitude et précision ... I.3-1 3.2 Choix de l’emplacement du pluviomètre ... I.3-1 3.3 Pluviomètres non enregistreurs ... I.3-3 3.3.1 Généralités ... I.3-3 3.3.2 Pluviomètre standard ... I.3-3 3.3.3 Pluviomètres totalisateurs ... I.3-4 3.3.4 Méthodes de mesure ... I.3-4 3.3.5 Erreurs et exactitude des lectures ... I.3-5 3.3.6 Correction des erreurs systématiques ... I.3-5 3.4 Pluviomètres enregistreurs ... I.3-8 3.4.1 Enregistreur à pesée ... I.3-8 3.4.2 Enregistreur à flotteur ... I.3-8 3.4.3 Enregistreur à auget basculeur ... I.3-9 3.4.4 Pluviographe à intensité ... I.3-9 3.4.5 Disdromètre ... I.3-9 3.4.6 Appareils acoustiques ... I.3-10 3.4.7 Méthodes d’enregistrement des données ... I.3-10 3.5 Chutes de neige et de grêle ... I.3-10 3.5.1 Épaisseur de neige ... I.3-10 3.5.2 Équivalent en eau d’une chute de neige ... I.3-11 3.5.3 Couverture neigeuse ... I.3-11 3.5.4 Tampon à grêle ... I.3-16 3.6 Estimation des précipitations à partir du bilan hydrologique du bassin versant ... I.3-16 3.7 Observation de la pluie par radar ... I.3-16 3.7.1 Utilisation du radar en hydrologie ... I.3-16 3.7.2 L’équation radar-précipitations ... I.3-17 3.7.3 Facteurs influençant les mesures ... I.3-17 3.7.4 Neige et grêle ... I.3-20 3.7.5 Protocole de balayage ... I.3-20 3.7.6 Résumé des questions de précision ... I.3-21 3.7.7 Radar Doppler ... I.3-21 3.7.8 Radars multiparamètres ... I.3-22 3.8 Radar au sol et techniques de surveillance des précipitations ... I.3-22 3.9 Réseaux de radars opérationnels ... I.3-23 3.10 Mesure de la pluie par atténuation de liaison micro-ondes double fréquence ... I.3-23 3.11 Observation des précipitations par satellite ... I.3-24 3.11.1 Notions de base ... I.3-24 3.11.2 Visible et infrarouge ... I.3-24 3.11.3 Micro-ondes passives ... I.3-25 3.11.4 Micro-ondes actives (radar de pluie; Mission pour la mesure des pluies tropicales) ... I.3-25 3.11.5 Résumé des questions de précision ... I.3-27 3.12 Mesure de la neige par télédétection ... I.3-27 3.13 Télédétection par satellite du couvert neigeux ... I.3-28 3.14 Satellites opérationnels ... I.3-30 3.15 Rosée ... I.3-30 3.16 Échantillonnage pour le suivi de la qualité des précipitations ... I.3-31 3.16.1 Collecteurs de pluie et de neige ... I.3-32 3.16.2 Prélèvement des dépôts secs ... I.3-32 3.17 Intégration des pluies dans les modèles hydrologiques et hydrauliques: rassemblement et
évaluation des données de sources différentes ... I.3-32 3.18 Projet mondial de climatologie des précipitations ... I.3-32 Bibliographie et lectures complémentaires ... I.3-33
ChAPITRE 4. éVAPoRATIoN, éVAPoTRANSPIRATIoN ET huMIDITé Du SoL ... I.4-1 4.1 Évaporation, évapotranspiration et interception ... I.4-1 4.1.1 Généralités ... I.4-1 4.1.2 Définitions ... I.4-1 4.1.3 Mesure de l’évaporation ... I.4-2 4.1.4 Mesure de l’évapotranspiration ... I.4-7 4.1.5 Mesures par télédétection des paramètres de l’évaporation et de
l’évapotranspiration ... I.4-7 4.2 Estimation de l’évaporation des surfaces libres ... I.4-8 4.2.1 Généralités ... I.4-8 4.2.2 Bilan hydrologique ... I.4-8 4.2.3 Bilan énergétique ... I.4-9 4.2.4 Méthode du transfert de masse ... I.4-11 4.2.5 Combinaison des méthodes aérodynamique et du bilan énergétique ... I.4-11 4.2.6 Extrapolation à partir de mesures sur bac ... I.4-13 4.2.7 Formules empiriques ... I.4-15 4.3 Évaporation des bassins hydrographiques ... I.4-17 4.3.1 Généralités ... I.4-16 4.3.2 Méthode du bilan hydrologique ... I.4-17 4.3.3 Méthode du bilan énergétique ... I.4-18 4.3.4 Approche aérodynamique ... I.4-19 4.3.5 Méthode de Penman-Monteith ... I.4-19 4.3.6 Méthode de Priestley-Taylor ... I.4-20 4.3.7 Méthode complémentaire ... I.4-20 4.3.8 Coefficient cultural et méthode de l’évapotranspiration de référence ... I.4-21 4.3.9 Scintillomètre à grande ouverture ... I.4-21 4.4 Réduction de l’évaporation ... I.4-21 4.4.1 À partir des surfaces libres ... I.4-21 4.4.2 À partir de la surface du sol ... I.4-22 4.5 Mesure de l’humidité du sol ... I.4-22 4.5.1 Généralités ... I.4-22 4.5.2 Méthodes quantitatives ... I.4-23 4.5.3 Méthodes qualitatives ... I.4-29 4.5.4 Télédétection ... I.4-31 Bibliographie et lectures complémentaires ... I.4-32 ChAPITRE 5. MESuRAgE DE LA quANTITé DES EAux SuPERFICIELLES ET DES SéDIMENTS ... I.5.1 5.1 Niveaux des cours d’eau des lacs et des réservoirs ... I.5-1 5.1.1 Généralités ... I.5-1 5.1.2 Instruments de mesure du niveau ... I.5-1 5.1.3 Méthodes de mesure des niveaux ... I.5-2 5.1.4 Fréquence des mesures de niveau ... I.5-3 5.2 Glace sur les cours d’eau, les lacs et les réservoirs ... I.5-3 5.2.1 Généralités ... I.5-3 5.2.2 Éléments du régime des glaces ... I.5-3 5.2.3 Méthodes d’observation ... I.5-3 5.2.4 Dates et fréquence des observations ... I.5-4 5.2.5 Précision de la mesure ... I.5-4 5.3 Mesurages et calculs des débits ... I.5-4 5.3.1 Généralités ... I.5-4 5.3.2 Jaugeage au moulinet ... I.5-4 5.3.3 Méthode de jaugeage à l’aide de flotteurs ... I.5-10 5.3.4 Méthode de jaugeage par dilution ... I.5-11 5.3.5 Estimation du débit par des méthodes indirectes ... I.5-12
5.3.6 Jaugeage en conditions difficiles ... I.5-14 5.3.7 Méthodes non traditionnelles pour le jaugeage de rivières ... I.5-17 5.4 Stations de jaugeage ... I.5-22 5.4.1 Objet des stations de jaugeage ... I.5-22 5.4.2 Choix du site ... I.5-22 5.4.3 Contrôles de la relation hauteur-débit ... I.5-23 5.4.4 Installations de mesure ... I.5-23 5.4.5 Relations hauteur-débit ... I.5-24 5.4.6 Calcul de la moyenne des hauteurs de jauge correspondant à une mesure
de débit ... I.5-26 5.5 Débit et apports solides ... I.5-26 5.5.1 Généralités ... I.5-26 5.5.2 Choix du site ... I.5-26 5.5.3 Mesure du débit des matières en suspension ... I.5-26 5.5.4 Mesure du débit de charriage de fond ... I.5-28 Bibliographie et lectures complémentaires ... I.5-30 ChAPITRE 6. EAux SouTERRAINES ... I.6-1 6.1 Généralités ... I.6-1 6.2 Gisement des eaux souterraines ... I.6-1 6.2.1 Formations géologiques aquifères ... I.6-1 6.2.2 Mise en place d’un cadre hydrogéologique ... I.6-2 6.3 Puits d’observation ... I.6-7 6.3.1 Installation des puits d’observation ... I.6-7 6.3.2 Essai des puits d’observation ... I.6-11 6.3.3 Rebouchage et fermeture des puits abandonnés ... I.6-12 6.4 Mesure du niveau des eaux souterraines et réseaux de puits d’observation ... I.6-12 6.4.1 Instruments et méthodes d’observation ... I.6-12 6.5 Propriétés de l’aquifère et des roches encaissantes ... I.6-20 6.5.1 Paramètres hydrauliques ... I.6-20 6.5.2 Vue d’ensemble sur les méthodes de terrain courantes dans la détermination
des paramètres hydrauliques ... I.6-21 6.6 Recharge et décharge, alimentations et pertes dans un système hydrogéologique ... I.6-23 6.6.1 Recharge par les précipitations ... I.6-23 6.6.2 Relations entre eaux souterraines et eaux superficielles ... I.6-23 6.6.3 Pompage des puits ... I.6-24 6.7 Utilisation des données dans les modèles hydrogéologiques ... I.6-24 6.8 Télédétection ... I.6-24 Bibliographie et lectures complémentaires ... I.6-26 ChAPITRE 7. quALITé DE L’EAu ET éCoSYSTèMES AquATIquES ... I.7-1 7.1 Généralités ... I.7-1 7.2 Besoins particuliers du contrôle de la qualité de l’eau ... I.7-1 7.2.1 Paramètres spécifiques de la qualité des eaux ... I.7-1 7.2.2 Qualité des eaux de surface ... I.7-1 7.2.3 Qualité de l’eau des précipitations ... I.7-4 7.2.4 Qualité des eaux souterraines ... I.7-5 7.2.5 Qualité des sédiments ... I.7-5 7.3 Méthodes d’échantillonnage ... I.7-6 7.3.1 Types d’échantillons d’eau ... I.7-6 7.3.2 Prélèvement d’un échantillon représentatif ... I.7-7 7.3.3 Prélèvement pour l’analyse des isotopes stables de l’eau ... I.7-7
7.3.4 Mesure de la radioactivité ... I.7-8 7.3.5 Équipements et techniques d’échantillonnage ... I.7-8 7.4 Préparation des campagnes de terrain ... I.7-11 7.4.1 Préparation générale ... I.7-11 7.4.2 Choix du volume des échantillons ... I.7-11 7.4.3 Liste de contrôle préalable à la campagne sur le terrain ... I.7-11 7.5 Mesures de terrain ... I.7-12 7.5.1 Mesures automatiques ... I.7-12 7.5.2 Grandeurs mesurées sur le terrain ... I.7-12 7.6 Suivi biologique et échantillonnage pour les analyses biologiques ... I.7-15 7.6.1 Analyses microbiologiques ... I.7-16 7.6.2 Organismes multicellulaires ... I.7-16 7.6.3 Demande biochimique en oxygène ... I.7-17 7.7 Filtration sur le terrain et procédures de conservation ... I.7-19 7.7.1 Filtration ... I.7-19 7.7.2 Techniques de conservation ... I.7-20 7.8 Télédétection et qualité des eaux superficielles ... I.7-21 7.8.1 Étude de la qualité de l’eau dans les domaines du visible et de l’infrarouge ... I.7-21 7.8.2 Étude de la qualité de l’eau dans le domaine des hyperfréquences (micro-ondes) .... I.7-22 Bibliographie et lectures complémentaires ... I.7-22
ChAPITRE 8. CoNSIDéRATIoNS DE SéCuRITé EN hYDRoMéTRIE ... I.8-1 8.1 Pratiques générales ... I.8-1 8.2 Sécurité aux stations d’enregistrement ... I.8-1 8.2.1 Accès ... I.8-1 8.2.2 Plateformes ... I.8-1 8.2.3 Puits ... I.8-1 8.3 Précautions de sécurité nécessaires lors de travail à partir des ponts ... I.8-2 8.3.1 Risques dus à la circulation ... I.8-2 8.3.2 Risques dus aux équipements suspendus ... I.8-2 8.4 Précautions de sécurité nécessaires lors de jaugeages à gué ... I.8-2 8.4.1 Généralités ... I.8-2 8.4.2 Évaluation de la situation ... I.8-2 8.4.3 Gilets de sauvetage ... I.8-2 8.4.4 Sécurité des câbles ... I.8-2 8.4.5 Technique de jaugeage à gué ... I.8-2 8.4.6 En cas d’incident ... I.8-2 8.5 Précautions de sécurité nécessaires lors de travail à partir de bateaux ... I.8-3 8.5.1 Généralités ... I.8-3 8.5.2 Gilets et équipements de sécurité ... I.8-3 8.5.3 Utilisation de câbles ... I.8-3 8.5.4 Utilisation de canots ... I.8-3 8.6 Précautions de sécurité nécessaires lors d’utilisation de téléphériques ... I.8-4 8.7 Précautions de sécurité nécessaires lors de la manipulation des équipements ... I.8-4 8.7.1 Signalisation ... I.8-4 8.7.2 Tronçonneuses ... I.8-4 8.7.3 Équipement électrique ... I.8-4 8.7.4 Outils à moteur ... I.8-5 8.7.5 Vêtements et équipements de sécurité ... I.8-5 8.7.6 Produits radioactifs ... I.8-5 8.7.7 Sécurité de la surveillance des eaux souterraines ... I.8-5 8.7.8 Problèmes dus à la poussière ... I.8-5
8.8 Précautions de sécurité nécessaires lors de manipulations de produits chimiques ... I.8-5 8.9 Précautions de sécurité particulières par temps froid ... I.8-6 8.9.1 Hypothermie ... I.8-6 8.9.2 Engelures ... I.8-7 8.9.3 Travail sur les rivières et lacs aux eaux glaciales ou gelées ... I.8-7 8.9.4 Travail dans les zones montagneuses ... I.8-7 8.9.5 Survie dans l’eau glacée ... I.8-8 8.10 Précautions de sécurité particulières par grande chaleur ... I.8-8 8.10.1 Hyperthermie ... I.8-8 8.10.2 Coups de soleil ... I.8-9 8.11 Déplacements et transports ... I.8-9 8.11.1 Généralités ... I.8-9 8.11.2 Hélicoptères ... I.8-9 8.11.3 Véhicules à moteur ... I.8-9 8.12 Équipements et rations de survie ... I.8-9 8.13 Autres types de risques ... I.8-10 Bibliographie et lectures complémentaires ... I.8-11 ChAPITRE 9. TRAITEMENT DES DoNNéES ET CoNTRÔLE DE quALITé ... I.9-1 9.1 Généralités ... I.9-1 9.2 Principes, conventions et normes ... I.9-1 9.2.1 Préservation des données, faits et hypothèses ... I.9-1 9.2.2 Besoin en données et normes de précision ... I.9-2 9.3 Encodage ... I.9-3 9.3.1 Généralités ... I.9-3 9.3.2 Développement des codes ... I.9-3 9.3.3 Codes de localisation ... I.9-4 9.3.4 Codes des (paramètres) variables ... I.9-4 9.3.5 Codes de qualification des données ... I.9-4 9.3.6 Codes des données manquantes ... I.9-5 9.3.7 Codes de transmission ... I.9-5 9.3.8 Systèmes d’information géographique ... I.9-5 9.4 Saisie des données ... I.9-5 9.4.1 Saisie manuelle ... I.9-5 9.4.2 Saisie de données graphiques ... I.9-6 9.4.3 Données sur bandes perforées ... I.9-6 9.4.4 Enregistreurs électroniques de données ... I.9-6 9.5 Traitement primaire des données ... I.9-7 9.5.1 Généralités ... I.9-7 9.5.2 Contrôle préliminaire des données ... I.9-7 9.5.3 Traçabilité et traitement ... I.9-9 9.5.4 Registres de données et contrôle ... I.9-9 9.5.5 Identification et conservation des enregistrements originaux ... I.9-9 9.5.6 Correction des erreurs connues ... I.9-10 9.5.7 Agrégation et interpolation de données ... I.9-11 9.5.8 Calcul de variables dérivées ... I.9-11 9.5.9 Statut des données ... I.9-11 9.6 Procédures spécifiques au traitement primaire des données ... I.9-12 9.6.1 Données climatologiques ... I.9-12 9.6.2 Données débitmétriques ... I.9-13 9.6.3 Données de qualité des eaux ... I.9-16 9.7 Traitement secondaire ... I.9-16 9.7.1 Travaux de routine après la phase de calcul ... I.9-17
9.7.2 Insertion d’estimations des données manquantes ... I.9-17 9.8 Validation et contrôle de qualité ... I.9-19 9.8.1 Procédures générales ... I.9-19 9.8.2 Techniques de validation automatique ... I.9-20 9.8.3 Contrôles de routine ... I.9-21 9.8.4 Inspection des stations ... I.9-21 9.8.5 Contrôle des données collectées manuellement ... I.9-22 9.8.6 Contrôle des données graphiques ... I.9-22 9.8.7 Contrôle des données d’enregistreurs ... I.9-22 9.9 Procédures de validation particulières ... I.9-23 9.9.1 Données de débit ... I.9-23 9.9.2 Hauteur (niveau de l’eau) ... I.9-23 9.9.3 Précipitations ... I.9-24 9.9.4 Données climatologiques ... I.9-26 9.9.5 Données sur la neige et la glace ... I.9-27 9.9.6 Données relatives aux jaugeages ... I.9-27 9.9.7 Données de qualité des eaux ... I.9-28 9.9.8 Données sédimentologiques ... I.9-28 9.10 Enregistrement de l’incertitude ... I.9-28 Bibliographie et lectures complémentaires ... I.9-30 ChAPITRE 10. SToCKAgE, CoNSuLTATIoN ET DIFFuSIoN DES DoNNéES ... I.10-1 10.1 Introduction ... I.10-1 10.1.1 L’importance des données ... I.10-1 10.1.2 Processus de la gestion des données ... I.10-1 10.2 Stockage et extraction de données ... I.10-4 10.2.1 Stockage des données ... I.10-4 10.2.2 Méthodes de stockage ... I.10-5 10.2.3 Types de données et informations à stocker ... I.10-7 10.3 Extraction des données ... I.10-17 10.3.1 Outils d’analyse des données ... I.10-17 10.3.2 Extraction de données à une seule variable ... I.10-18 10.3.3 Systèmes d’extraction de données ... I.10-19 10.4 Diffusion des données ... I.10-20 10.4.1 Généralités ... I.10-20 10.4.2 Catalogues de données à disposition ... I.10-21 10.4.3 Rapports récapitulatifs ... I.10-22 10.4.4 Annuaires ... I.10-22 10.4.5 Extraction de données à la demande ... I.10-25 10.4.6 Formats d’échanges de données ... I.10-26 Bibliographie et lectures complémentaires ... I.10-30 ANNExE. Abréviations et acronymes ... I.A-1
En septembre 2000, les dirigeants de la planète ont adopté la Déclaration du millénaire à partir de laquelle ont été arrêtés huit objectifs mesurables et liés à un échéancier précis, pour lutter contre la pauvreté, la faim, les maladies, l’analphabétisme, la dégradation de l’environnement et l’inégalité entre les sexes. Ces huit objectifs sont connus comme les objectifs du millénaire pour le développement (OMD) de l’Organisation des Nations Unies. La réali- sation de chacun de ces objectifs dépend, dans une large mesure, de la disponibilité de l’eau potable et de la protection de la population contre les ravages des inondations. Ceci engage pour leur part forte- ment la responsabilité des Services hydrologiques et hydrométéorologiques nationaux dans le soutien, au niveau national, des actions nécessaires pour faire face à la demande sans cesse croissante visant les ressources limitées en eau douce des Membres de l’OMM. En particulier en ce qui concerne les bassins transfrontaliers où les préoccupations sont guidées par la nécessité d’une répartition équitable de ces ressources limitées, des mécanismes opérationnels appropriés visant au partage de ces dernières peuvent être établis et maintenus entre les pays riverains concernés.
L’un des objectifs de l’Organisation météorologique mondiale (OMM) est de promouvoir la norma- lisation des observations météorologiques et hydrologiques et d’assurer l’uniformisation de la publication des données et des statistiques. C’est dans ce cadre que le Congrès météorologique mondial adopte traditionnellement un Règlement technique (OMM-N° 49) fixant les pratiques et les procédures météorologiques et hydrologiques que doivent suivre les Membres de l’Organisation. Ce Règlement est complété par un certain nombre de manuels et de guides qui décrivent, plus en détail, les pratiques et procédures que les Membres sont tenus ou invités à observer pour le suivi et l’évalua- tion des ressources en eau de leurs pays respectifs.
On espère ainsi que l’amélioration de l’uniformi- sation et de la normalisation des pratiques et procédures hydrologiques contribuera au renfor- cement de la collaboration entre les Membres de l’OMM et facilitera davantage la coopération régionale et internationale.
Le Guide des pratiques hydrologiques a pour but de fournir à tous ceux qui travaillent dans le domaine de l’hydrologie, les informations pertinentes sur les
pratiques, procédures et instruments actuels, leur permettant ainsi d’effectuer leur travail avec plus de succès. Il n’entre pas dans le cadre de cet ouvrage de faire une description complète des bases théoriques, ni de présenter un éventail exhaustif des méthodes et des techniques. Le cas échéant, des références documentaires sont toutefois signalées. Les procé- dures détaillées pour le suivi des paramètres hydrologiques sont traitées dans les manuels spéci- fiques de l’OMM.
On espère que le présent ouvrage soit utile non seulement aux Services nationaux des Membres mais aussi aux divers autres intervenants et organismes impliqués dans la gestion des ressources en eau en général, et en particulier dans le suivi et l’estimation de ces ressources. La Commission d’hydrologie (CHy) de l’OMM a donc décidé d’en faire un docu- ment «vivant» qui sera mis à jour périodiquement et publié sur Internet. Il est aussi un des éléments constitutifs du Cadre de référence pour la gestion de la qualité en hydrologie à l’OMM, actuellement en cours d’élaboration. Ce cadre de référence doit aider les Membres et leurs Services nationaux à s’assurer que leurs activités, comme l’acquisition des données hydrologiques, la prestation de services et de produits, soient effectivement réalisées avec compé- tence et efficacité. Les utilisateurs de ce Guide sont donc invités à contribuer à son amélioration par leurs commentaires et suggestions.
Le Guide des pratiques hydrologiques est publié en anglais, espagnol, français et russe. Cependant, comme pour les versions précédentes, plusieurs Membres ont manifesté leur intention de le traduire dans leur langue nationale.
C’est avec plaisir que j’exprime ma reconnaissance à la Commission d’hydrologie de l’OMM pour avoir pris l’initiative de superviser la révision du présent Guide.
(M. Jarraud) Secrétaire général
PRéFACE
Ceci est la sixième édition du Guide des pratiques hydrologiques que la Commission d’hydrologie a décidé de mettre à jour et de publier à la demande de ses membres. Cette décision fait suite aux observations et retours d’expérience liés à l’utilisa- tion de la cinquième édition du Guide et à la reconnaissance de sa grande valeur pour les Services hydrologiques nationaux et les profes- sionnels travaillant dans les domaines liés à l’eau.
Plus de 40 experts mondiaux aguerris ont contri- bué à la préparation de cette édition du Guide. De ce fait il est orienté vers les applications pratiques et s’inscrit dans un cadre de gestion de la qualité tel qu’initié par la Commission d’hydrologie. C’est avec un grand plaisir que j’exprime la reconnais- sance de la Commission à ces experts qui se sont portés volontaires pour procéder à la préparation et à la compilation des matériaux nécessaires et ont permis l’accomplissement de cette tache démesurée.
Ma profonde gratitude va aussi aux membres du Comité d’examen mis en place par la Commission d’hydrologie qui ont supervisé la révision du Guide.
Le Comité d’examen dirigé par Karl Hofius (Allemagne), et composé de Suresh Chandra (Inde), Denis Hughes (Afrique du Sud), Fred Kyosingira (Ouganda), Paul Pilon (Canada), Marco Polo Rivero (Venezuela) et Avinash Tyagi (Directeur, Département du climat et des ressources en eau, Organisation météorologique mondiale), a contri- bué à déterminer dans la cinquième édition ce qui demandait à être révisé et mis à jour, a identifié les experts chargés du remaniement et de l’évaluation par les pairs de différents chapitres et sections, et a examiné les contributions d’experts.
J’exprime mes sincères remerciements et ma recon- naissance à tous les experts qui ont contribué à la mise en forme et à la révision du Guide. Les experts suivants ont contribué à l’actualisation et à la révi- sion des chapitres (indiqués entre parenthèses) du volume I du Guide: Svein Harsten (chapitres 2 et 5);
Robert Halliday (chapitre 2); Chris Collier (chapi- tre 3); Karan S. Bhatia (chapitre 4); Ahmed Fahmi (chapitre 5); Anthony Navoy (chapitre 6); Anne Coudrain (chapitre 7); Albert Rugumayo (chapitre 8); John Fenwich (chapitre 9) et Matthew Fry et Frank Farquharson (chapitre 10).
L’examen par les pairs de la documentation préparée pour le volume I a été fait par les experts suivants:
Robert Halliday (chapitre 2); Nicholas Kouwen (chapitre 3); Mauro Greppi (chapitre 4); Svein Harsten (chapitre 5); Giovanni Maria Zuppi (chapitre 6); Valerio Vendegna (chapitre 7); Thierry Filippo et
Fabio Santamaria (chapitre 8); Maria-Monica Ghioca (chapitre 9) et Bruce Stewart (chapitre 10).
Les experts suivants ont participé à la révision des chapitres et sections (indiqués entre parenthèses) du volume II du Guide: Arni Snorrasson (chapitre 2);
Paul Mosley (matériaux du chapitre 2); Bruce Mitchell (chapitre 3); Tinus Basson (4.2); Suresh Chandra (4.3);
P.B.S. Sarma (4.4); Valdemar Andrade (4.5); Denis Mosnier (4.5); Benno Droge (4.6); Carlos Tucci (4.7);
Shankar B. Kulkarni (4.8); Carlos Meier (4.9); Kaz Adamowski (chapitre 5); Zbigniew W. Kundzewicz (chapitre 6) et Curt Barrett, Kosta Georgakakos, Ian Cluckie, Paul Pilon et Sergei Borsch et James Dent (chapitre 7). Les contributions sur les développements technologiques en matière de télédétection ont été fournies par Edwin Engman et Ahalam Shalaby (divers chapitres).
L’examen par les pairs de la documentation préparée pour le volume II a été réalisé par les experts suivants:
Paul Pilon (chapitre 3); Richard Muller (4.2);
Ponnuswarni Sooriyakumaran (4.3); Mario Fugazza (4.4); Valdemar Andrade et Denis Mosnier (4.5);
Hussam et Maha Tawfik (4.6); Jim Elliott (4.7);
Christophe Ancey (4.8); Denis Hughes (4.9); Manuel Irigoyen et Ezio Todini (chapitre 5); Paolo Mignosa (chapitre 6); Ilmar Karro et Eric Liljas (chapitre 7).
Giacomo Teruggi, John Bassier et Arthur Askew ont apporté un soutien solide et essentiel au processus de publication grâce à une coordination active avec les auteurs et à la mise en œuvre du travail technique éditorial nécessaire. Par-dessus tout, la publication n’aurait pas été possible sans le soutien actif du personnel du Secrétariat de l’OMM.
La sixième édition du Guide sera un document
«vivant», c’est à dire évolutif, dont la version Web sera mise à jour chaque fois que des développements significatifs apparaîtront dans les pratiques de tout domaine particulier. Comme il est appliqué et utilisé concrètement, le Guide peut être amélioré grâce aux remarques et suggestions de la communauté hydro- logique. La Commission d’hydrologie s’efforcera de le maintenir autant que possible à jour, en prenant en compte les commentaires de ses membres.
(Bruce Stewart)
Président de la Commission d’hydrologie
RemeRCIemeNTS
1.1 CONTEXTE
L’hydrologie est la science qui traite de la présence et de la distribution, dans le temps et dans l’espace, des eaux superficielles et souterraines de la Terre et de leurs propriétés chimiques, biologiques et physiques ainsi que de leur interaction avec l’envi- ronnement physique (OMM/UNESCO, 1992). Elle permet la compréhension des différents états de l’eau lors de sa circulation de l’atmosphère vers la Terre et de son retour vers l’atmosphère. En tant que telle, elle constitue la base de l’évaluation et de la gestion des ressources en eau et le fondement de la résolution des problèmes pratiques d’inondation, de sécheresse, d’érosion, de transport de sédiments et de pollution de l’eau. La tension croissante sur les ressources disponibles dans la quête d’une amélio- ration du bien-être économique couplée à l’inquiétude face à la pollution des eaux superfi- cielle et souterraine, ont mis en évidence le rôle central de l’hydrologie dans toutes les initiatives concernant l’eau et l’environnement.
Afin de fournir des orientations pour la surveillance de cette ressource vitale qui est au coeur du développement et du bien-être de l’humanité, la Commission d’hydrologie de l’Organisation météorologique mondiale, lors de sa première session (Washington D.C., 1961) a reconnu l’urgente nécessité d’élaborer un guide des pratiques opérationnelles appropriées. La première édition du Guide des pratiques hydrométéorologiques a ainsi été publiée en 1965.
La deuxième et la troisième édition suivirent respec- tivement en 1970 et 1974. Tenant compte de la portée plus large de son contenu, la troisième édition a été intitulée Guide des pratiques hydrolo- giques. Par la suite, en raison des révisions et des importantes adjonctions approuvées à la cinquième session de la Commission (Ottawa, 1976), la quatrième édition a été publiée en deux volumes.
Le volume I traite de l’acquisition et du traitement des données et le volume II de l’analyse, de la prévi- sion et d’autres applications. Les volumes I et II de la quatrième édition ont été publiés respectivement en 1981 et 1983. Intégrant l’évolution de la techno- logie et des activités concernant l’hydrologie et les ressources en eau au sein de l’OMM, la cinquième édition du Guide a été publiée en 1994, en un seul volume. Un CD-ROM a été également publié pour,
au-delà du domaine traditionnel de l’OMM, toucher plus facilement une communauté élargie concernée par la gestion de l’eau.
En 1999, le Quatorzième Congrès météorologique mondial a adopté comme sous-titre officiel de l’Organisation «Le temps, le climat et l’eau». À sa onzième session à Abuja, Nigéria, en 2000, la Commission d’hydrologie a recommandé que la sixième édition du Guide soit publiée comme un document «vivant», autrement dit évolutif, téléchargeable sur Internet et mis à jour plus fréquemment, si nécessaire.
1.2 CHAMP D’APPLICATION
Les principes reconnus de gestion intégrée des ressources en eau exigent que, pour obtenir une durabilité environnementale et une productivité économique, les cours d’eau soient gérés à l’échelle du bassin versant. Maintenant que l’eau est perçue comme l’affaire de tous, diverses parties prenantes participent à ce processus et y jouent un rôle impor- tant au niveau national comme au niveau international. Dans un même pays, de nombreux organismes et institutions s’occupent de la collecte des données et de l’information hydrologiques.
Cette collecte peut être le fait de nombreuses agences utilisant des méthodes de mesure diffé- rentes. Il en résulte un manque d’homogénéité dans les observations qui peut laisser se développer un manque de confiance. Il est donc impératif que tous ces partenaires soient mis au courant de la manière dont les données hydrologiques sont recueillies, de leurs limites et de leur fiabilité ainsi que de la façon dont elles doivent être gérées par les organismes responsables du bassin. La transparence dans la collecte, le stockage et le partage des données est un élément essentiel de la coopération entre les différents utilisateurs. Un cadre de référence pour la gestion de la qualité concernant l’hydrométrie et l’information hydrologique est fondamental lors de l’utilisation de sources de données variées.
La demande croissante en ressources d’eau douce attire de plus en plus l’attention des gouvernements et de la société civile sur l’importance d’une gestion conjointe. Le partage des retombées positives en matière de coopération et même de prévention des
INTRODUCTION
conflits découle d’une large compréhension des principes et des mécanismes au travers desquels ces résultats peuvent être obtenus. Les cours d’eau trans- frontaliers ont le potentiel pour rapprocher économiquement et politiquement les pays, ou au contraire de créer des tensions économiques et poli- tiques. Le facteur risque dans la prise de décision en gestion des ressources en eau est fonction de la varia- bilité hydrologique. Ces risques peuvent être atténués grâce à une gestion conjointe des fleuves transfron- taliers. La coopération dans ce domaine est fonda- mentalement une activité politique. L’allocation des ressources ou la répartition des prestations dépend essentiellement de la connaissance des disponibilités en eau, liée à la variabilité hydrologique. Une connaissance partagée et acceptée à la fois des ressources, des projections relatives à leur disponi- bilité et de la confiance à leur accorder, aide grandement à évaluer la faisabilité et l’équité des scénarios alternatifs de gestion et d’investissement.
Un manque d’homogénéité des données de la phase continentale du cycle hydrologique limite la capa- cité scientifique à suivre les changements relatifs au climat et à déterminer les causes de la variabilité et des changements dans le régime hydrologique. Le débit des rivières joue un rôle dans le fonctionne- ment du système climatique, cette eau douce en arrivant aux océans peut en effet influencer la circu- lation thermohaline. Pour une utilisation facile et fiable, la qualité de telles données et les procédures pour leur acquisition, leur stockage et leur échange doivent, en général, respecter des normes et proto- coles spécifiques.
Tous ces facteurs renforcent le besoin de garantir la qualité des données hydrologiques. Afin de mettre à disposition une expertise dans le domaine de la coopération internationale en météorologie, climat, hydrologie et ressources en eau, l’OMM publie des documents d’orientation et des normes, dans l’espoir que ce guide constitue un maillon impor- tant dans le cadre de gestion de la qualité des pratiques hydrologiques. Pour répondre à ces exigences, des efforts soutenus ont été déployés pour élargir et améliorer le Guide des pratiques hydro- météorologiques qui en est à sa sixième édition. Il devrait être utile non seulement aux Services hydro- logiques nationaux, mais aussi aux autres parties prenantes.
Il aborde toutes les phases du cycle continental de l’eau, en particulier ses phases superficielles et souterraines. Conjointement avec les manuels publiés par l’OMM, il fournit des informations détaillées dans les domaines relevant des activités de l’Organisation, en matière d’hydrologie et de
ressources en eau. Cela pour soutenir les Services hydrologiques nationaux et les services poursuivant une mission similaire.
Le Guide s’inscrit dans le cadre global des pratiques et procédures recommandées par le Règlement technique (OMM-N° 49), Volume III – Hydrologie, approuvé par l’OMM. Les Membres sont invités à mettre en œuvre ces pratiques et procédures recom- mandées pour le développement de leurs services et activités hydrologiques.
1.3 CONTENU DU GUIDE
Il est difficile de fixer une frontière distincte entre la science hydrologique et l’exercice pratique de planification et de gestion des ressources en eau.
Cependant, pour des raisons pratiques, il a été nécessaire de diviser cette édition du guide en deux volumes présentés ci-dessous (figure I.1.1).
Le volume I, intitulé Hydrologie – De la mesure à l’in- formation hydrologique, traite des réseaux, instruments, méthodes d’observation, premiers traitements et stockage des données. Il contient dix chapitres, commençant par une introduction et les grandes lignes dans le chapitre 1.
Le chapitre 2, intitulé «Méthodes d’observation», traite de la conception et de l’évaluation des réseaux hydrologiques et donne un aperçu des instruments et des méthodes d’observation pour différents éléments hydrologiques détaillés dans les chapitres suivants. Dans le chapitre 3, la mesure des précipita- tions est présentée sous tous ses aspects, de la localisation des pluviomètres à l’observation par télédétection. Le chapitre couvre aussi bien les préci- pitations liquides que solides, ainsi que leur qualité.
Le chapitre 4, «Évaporation, évapotranspiration, humidité du sol», aborde à la fois les méthodes directes et indirectes et passe brièvement en revue les méthodes de réduction de l’évaporation.
Le chapitre 5, «Mesure des eaux de surface et des sédi- ments», est essentiel et traite de la mesure des débits des rivières et de la capacité des lacs et des réservoirs.
Il concerne aussi la mesure des débits solides. Ce sujet est discuté de façon plus détaillée dans le Manual on Stream Gauging (WMO-No. 519) et dans le Manual on operational methods for the measurement of sediment transport (WMO-No. 686) auxquels le lecteur est invité à se reporter pour plus d’informations.
Le chapitre 6, intitulé «Eaux souterraines», traite des mesures dans les puits et des propriétés hydrauliques
des aquifères. Il traite aussi en détail de diverses techniques de télédétection pour l’observation des eaux souterraines.
Le développement des ressources en eau n’est pas seulement limité par leur disponibilité en quantité suffisante mais aussi par leur qualité. En consé- quence, le chapitre 7 «Qualité de l’eau et écosystèmes aquatiques» aborde des sujets allant des méthodes d’échantillonnage à la télédétection. Le chapitre 8,
«Notions de sécurité en hydrométrie», traite de tous les sujets allant de la sécurité du personnel effec- tuant les mesures, à la sauvegarde des stations d’enregistrement et des échantillons prélevés.
Enfin les chapitres 9 et 10, «Traitement des données et contrôle de qualité», et «Stockage des données, accès et diffusion», intègrent respectivement la diffusion des données pour l’usage d’une commu- nauté hydrologique plus étendue.
Le volume II intitulé Gestion des ressources en eau et application des pratiques hydrologiques traite de l’application des informations ci-dessus à la prévision hydrologique et à la planification et la conception de divers projets hydrauliques. Il se compose de sept chapitres commençant par une introduction et par le tracé des grandes lignes dans le chapitre 1.
Navigation Agriculture Production
d’énergie Industrie Écologie
Planification des
ressources en eau Exploitation du système de
gestion des eaux Définition des données
d’aménagement Fonctionnement des réseaux
Prévision hydrologique
Autres utilisations
Traitement primaire et secondaire des données. Stockage Rétroaction Utilisateurs
Données historiques et en temps réel
Données historiques et en temps réel
Données en temps réel Données historiques
Conception des
réseaux Instrumentation Méthodes
d’observation
Transmission des données
Analyse de données
Figure I.1.1. le système hydrologique
Le chapitre 2 fournit des conseils pour la gestion des services hydrologiques y compris les aspects relatifs aux ressources humaines et à la gestion financière et patrimoniale. Le chapitre 3 introduit la gestion intégrée des ressources en eau et souligne le rôle vital de la qualité des données hydrologiques dans le traitement de questions complexes de gestion des eaux. Le chapitre 4 montre l’utilisation de l’information hydrologique dans les applications de gestion des eaux telles que l’estimation de la capacité et du rendement des réservoirs, la gestion des inondations, l’irrigation et le drainage, l’hydro- électricité et les projets liés à l’énergie, la navigation et la correction des cours d’eau, la gestion des eaux urbaines, le transport solide, la morphologie du cours des rivières et les questions environnemen- tales. Le chapitre 5 traite de l’analyse des valeurs extrêmes tandis que les chapitres 6 et 7 concernent respectivement la modélisation des systèmes hydro- logiques et la prévision hydrologique, deux des fonctions clés des services hydrologiques en matière de gestion des eaux.
Alors que la normalisation est à la fois souhaitable et réalisable en ce qui concerne les instruments, les méthodes d’observation et les pratiques de publica- tion, cela est rarement le cas pour l’analyse hydrologique et les applications. Par conséquent l’accent est mis, dans le volume II, sur la présenta- tion, pour résoudre une sélection de problèmes, d’approches alternatives ayant démontré, par l’ex- périence, leur praticabilité et leur efficacité. Plutôt que de recommander une approche ou une tech- nique de préférence à une autre, l’attention est portée sur les principales caractéristiques et avan- tages de chaque approche. Le choix final dépendra d’une multitude de facteurs parmi lesquels les régimes hydrologiques et climatiques concernés, les données et informations disponibles et les finalités attendues. Cette décision ne peut être prise qu’à la lumière d’une compréhension totale de la situation particulière. Au cours des quelques dernières années, l’accroissement de la disponibilité des micro-ordinateurs a permis l’introduction de méthodes et de techniques d’analyse plus sophisti- quées. Certaines d’entre elles ont maintenant été largement adoptées dans la pratique et ont donc été introduites dans le Guide.
L’espace limité de ce Guide restreint la quantité de matériels que l’on peut y présenter. Pour une infor- mation plus détaillée sur les sujets traités, le lecteur peut consulter les publications suivantes: pour la mesure des débits, le Manual on Stream Gauging (WMO-No. 519, volumes I et II) et pour l’échan- tillonnage le Guide pratique GEMS/Eau (PNUE, 2005). Le lecteur est également renvoyé aux normes
internationales relatives aux méthodes de mesure des débits liquides dans les canaux découverts, préparées par les membres de l’Organisation inter- nationale de normalisation (ISO). Cette organisation a développé plus de 50 normes pour différents types de méthodes de mesure. On peut également trouver des références utiles dans les comptes rendus des symposiums, séminaires et ateliers internationaux consacrés à l’hydrométrie et organisés par l’Associa- tion internationale de sciences hydrologiques (AISH), l’OMM et l’Organisation des Nations Unies pour l’éducation, la science et la culture (UNESCO).
La description complète des bases théoriques des pratiques recommandées et la discussion détaillée de leur mode d’application n’entrent pas dans le cadre de ce Guide. Pour plus de détails y afférents, le lecteur est renvoyé aux manuels spécialisés et rapports techniques de l’OMM ainsi qu’aux autres manuels, guides et notes techniques des agences nationales. En particulier, des orientations plus détaillées sur les instruments et les méthodes figu- rent dans le Guide des instruments et des méthodes d’observation météorologiques (OMM-N° 8) et dans le Guide des pratiques climatologiques (OMM-N° 100).
Les références figurent à la fin de chaque chapitre.
1.4 LE SYSTÈME HYDROLOGIQUE OPÉRATIONNEL À FINS MULTIPLES Durant les dernières décennies, la science et la tech- nologie hydrologiques ont effectué des progrès notables et des contributions significatives ont été apportées, par les hydrologues de terrain, au déve- loppement et à la gestion des ressources en eau. Afin de faciliter les échanges concernant les pratiques hydrologiques entre les services hydrologiques nationaux, un système de transfert de technologie intitulé Système hydrologique opérationnel à fins multiples (SHOFM) développé par l’OMM est opéra- tionnel depuis 1981. Il offre un moyen simple mais efficace de diffusion d’un vaste champ de techniques éprouvées à l’usage des hydrologues. Le SHOFM effectue un transfert de technologies hydrologiques sous forme de composantes séparées. Ces compo- santes peuvent prendre plusieurs formes, par exemple des séries de plans pour la construction d’équipements hydrologiques, des rapports décri- vant une large variété de procédures hydrologiques et des programmes informatiques couvrant le traite- ment et l’archivage des données hydrologiques, aussi bien que la modélisation et l’analyse des données traitées. À ce jour, plus de 180 composantes sont disponibles et utilisées de façon opérationnelle par
leurs émetteurs, assurant ainsi que chacune d’entre elles soit utile et fonctionne réellement. La descrip- tion de ces composantes apparaît dans le Manuel de référence du SHOFM qui est disponible en ligne à l’adresse http://www.wmo.int/pages/prog/hwrp/
homs/homs_fr.html en anglais, espagnol, français et russe. Le présent Guide est enrichi, au début des sections pertinentes, par des renvois aux composantes correspondantes du SHOFM.
Bibliographie et lectures complémentaires
Organisation météorologique mondiale, 1980: Manual on Stream Gauging. Volumes I et II, Rapport d’hydrologie opérationnelle N° 13, WMO-No. 519.
—, 1983: Guide des pratiques climatologiques. Deuxième édition, OMM-N° 100, Genève.
—, 1989: Manual on operational methods for the measure- ment of sediment transport. Rapport d’hydrologie opérationnelle N° 29, WMO-No. 686, Genève.
—, 1994: Guide des pratiques hydrologiques. Cinquième édition, OMM-N° 168, Genève.
—, 2000: Manuel de référence du Système hydrologique opérationnel à fins multiples (SHOFM). Deuxième édition, Genève.
—, 2006: Règlement technique. Volume III – Hydrologie, OMM-N° 49, Genève.
—, 2008: Guide des instruments et des méthodes d’observation météorologiques. Septième édition, OMM-N° 8, Genève.
Organisation météorologique mondiale et
Organisation des Nations Unies pour l’éducation, la science et la culture (UNESCO), 1992:
Glossaire international d’hydrologie. OMM-N° 385, Genève.
Programme des Nations Unies pour l’environnement (PNUE), Programme de l’eau du système de surveillance mondiale de l’environnement (GEMS), 2005: Guide pratique GEMS/Eau.
Quatrième édition, Inland Waters Directorale, Burlington, Ontario.
2.1 INTRODUCTION – LE CYCLE HYDROLOGIQUE, OBJET D’OBSERVATION
L’eau est présente sur la Terre en quantités impor- tantes sous ses trois phases physiques: liquide, solide et gazeuse. On la trouve, en outre, dans les trois principaux espaces environnementaux facile- ment accessibles à l’homme: l’atmosphère, les mers et océans et les continents. Du fait que l’eau passe aisément d’un espace à l’autre et d’une phase à l’autre en fonction de son environnement, elle constitue un milieu dynamique aux caractéristiques variables dans l’espace et dans le temps. Le système terrestre de multiples réservoirs disponibles pour le stockage de l’eau et la multitude des flux entre ces derniers a été conceptualisé sous forme de cycle hydrologique, représenté dans la figure I.2.1.
Traditionnellement, la science hydrologique n’en- globe pas la totalité du cycle de l’eau, mais se limite à sa partie continentale et à ses interactions avec les océans et l’atmosphère.
Du fait que l’homme passe la majeure partie de son temps sur les terres émergées et que l’eau lui est à la fois une matière vitale et un danger potentiel, la connaissance hydrologique est précieuse pour notre survie et notre bien-être. De manière traditionnelle, l’acquisition de cette connaissance passe par des mesures ponctuelles des stocks et des flux d’eau en différents points dans l’espace et dans le temps.
L’analyse et la synthèse de ces mesures, ou données, est la source des connaissances et de l’information hydrologiques. Le volume II de ce guide traite de l’analyse hydrologique.
Deux des équations de base décrivant la physique du cycle hydrologique sont également pertinentes pour décrire les systèmes utilisés pour effectuer la mesure de ses propriétés transitoires: a) l’équation de conservation de la masse et b) l’équation de continuité de l’énergie. Par exemple, une forme de l’équation de conservation de la masse:
Q = AV (2.1)
Précipitations océaniques Eau atmosphérique
Stockage cryosphérique
Écoulement de fonte vers les
rivières
Précipitations continentales Domaine continental
Pertes Sources
Surface continentale Ruissellement
Eaux océaniques
Stockage souterrain Écoulement souterrain Stockage
d’eau douce
Surface océanique Domaine océanique
Écoulement des cours d’eau
Transpiration
Infiltration
Évaporation
Département de l'intérieur des États-Unis d'Amérique U.S. Geological Survey
MÉTHODES D’OBSERVATION
Figure I.2.1. Le cycle hydrologique
sert souvent pour la détermination du débit dans un ruisseau ou un canal. Dans cette équation, Q est le flux par unité de temps à travers une section transversale du chenal, de surface A et de vitesse moyenne V. Habituellement, le flux par unité de temps ou débit ne peut pas être mesuré directement pour les cours d’eau, même de taille modeste. Une section transversale, en revanche, peut être mesurée à partir de son profil, et les vitesses au moyen de courantomètres. Ainsi l’utilisation de cette équa- tion, décrite en détail au chapitre 5, a permis la mesure des débits même des plus grands fleuves du monde.
Un autre exemple du rôle de l’équation de conser- vation de la masse concerne l’évaporation de l’eau d’un lac. Dans ce cas, l’équation prend la forme:
P + I – O – E = ∆S (2.2)
où, durant la période d’observation considérée, P est la quantité d’eau précipitée sur la surface du lac, I et O les entrées et les sorties des eaux respective- ment superficielles et souterraines, E la quantité d’eau évaporée par la surface du lac, et ∆S la varia- tion de volume de l’eau du lac.
Les précipitations peuvent être mesurées selon les techniques décrites au chapitre 3; les entrées et sorties d’eau peuvent être mesurées en utilisant les techniques des chapitres 4, 5 et 6; la variation du volume d’eau du lac peut être déterminée en mettant en rapport la différence de niveau de la surface entre le début et la fin de la période d’obser- vation avec son volume à ces dates. La mesure du niveau fait l’objet du chapitre 5. Quatre des cinq termes de l’équation 2.2, étant soit mesurés, soit observés, on peut calculer algébriquement le cinquième, l’évaporation.
Des observations hydrologiques systématiques sont au cœur même du développement de bases de données d’informations et de connaissances, néces- saires à une gestion efficace des ressources en eau.
Ce chapitre aborde un certain nombre de sujets qui sont fondamentaux pour le fonctionnement des réseaux d’observations hydrologiques et météorolo- giques et pour la production de l’information hydrologique.
Le chapitre donne un aperçu des normes et codes hydrologiques, de la précision des mesures, des concepts de planification des réseaux, des méthodes d’observation, des mesures de caractéristiques physiographiques, du rôle des données hydrolo- giques dans les systèmes d’information et des liens
avec le développement durable. Certains de ces sujets sont discutés ci-après plus en détail dans ce volume. Quand c’est le cas, des renvois aux sections correspondantes sont fournis.
2.2 SYSTÈMES D’INFORMATION POUR LES RESSOURCES EN EAU
2.2.1 Besoins en données et informations
Le Rapport de la Conférence internationale sur l’eau et l’environnement tenue à Dublin, en janvier 1992 (Nations Unies, 1992a), fournit une estima- tion pouvant faire référence quant à l’importance des ressources en eau pour l’environnement et l’économie de la planète. Ses conclusions spéci- fiques sur les politiques publiques mettent en relief le rôle qu’ont à jouer les services hydrologiques vis- à-vis d’objectifs liés au développement durable. La conférence a traité les sujets suivants:
a) Développement et gestion intégrés des ressources en eau;
b) Estimation des ressources en eau et impacts du changement climatique sur ces ressources;
c) Protection des ressources en eau, de la qualité de l’eau, et des écosystèmes aquatiques;
d) L’eau et le développement urbain durable, alimentation en eau potable et assainissement dans un contexte urbain;
e) L’eau pour une production alimentaire et un développement rural durables et alimenta- tion en eau potable et assainissement dans un contexte rural;
f) Procédures d’action et de coordination aux niveaux global, national, régional et local.
Le chapitre 3 du volume II examine l’évolution de la gestion intégrée des ressources en eau et fournit des exemples des meilleures pratiques. La nature des informations qui seront nécessaires pour répondre aux besoins d’une gestion intégrée des ressources en eau est difficile à prévoir. Les meilleures idées viendront, peut-être, de l’examen des ten- dances récentes en matière de gestion de l’eau (section 2.2.4). Comme les données sont recueillies pour l’usage des gestionnaires de l’eau, que ce soit dans des organismes gouvernementaux ou privés, l’évolution la façon dont l’eau est gérée influencera les demandes de données et d’information.
Les impacts de ces changements peuvent inclure:
a) Une compétition croissante pour l’eau abou- tissant à une augmentation de la valeur des réserves disponibles, et en définitive à la redéfi- nition des biens et services en fonction de leur
contenu en eau; ce qui peut être exacerbé par la baisse à la fois des disponibilités en eau et de sa qualité dans de nombreuses zones;
b) Des pressions économiques aboutissant à plus de frais pour l’utilisateur, de partage des coûts et de financement local des programmes;
avec un glissement simultané de l’accent mis sur les activités liées au développement de la ressource vers les programmes environnemen- taux et la gestion de la demande;
c) Un intérêt croissant pour la conservation et la réutilisation de l’eau dans toutes les phases du développement du projet; dans certaines régions, recycler les eaux coûte désormais moins cher que fournir de l’eau douce;
d) Une législation environnementale conçue pour rendre les pollueurs et les usagers redevables de leurs impacts sur les ressources disponibles;
e) Des mesures juridiques pour s’assurer que les usagers et les gestionnaires de l’eau justifient leurs besoins, usages et pratiques de gestion;
une priorité croissante devant être accordée aux usages environnementaux de l’eau (par exemple poissons et habitats de la faune) par opposition aux usages économiques tradition- nels (par exemple agriculture et industrie);
f) La promotion de la gestion de l’eau à l’échelle régionale ou à celle du bassin versant comme moyen pour résoudre les problèmes et conflits transfrontaliers.
Ces tendances montrent que des efforts pour une plus grande coordination dans la collecte des données seront nécessaires pour répondre aux besoins futurs des gestionnaires de l’eau. La gestion des eaux est de plus en plus intégrée dans les disci- plines et spécialités; il s’ensuit que des données compatibles, quantitatives et qualitatives, sur les eaux de surface et souterraines, ainsi que pour des régions et des bassins particuliers seront néces- saires. Les problèmes actuels d’accessibilité, de compatibilité et de fiabilité des données devront être résolus pour répondre à ces besoins. En outre, les défis de la gestion de l’eau sont étroitement liés avec ceux de la gestion de l’environnement ou de celle des écosystèmes. Par conséquent, une approche de plus en plus holistique de la gestion est nécessaire.
Même si de nombreux utilisateurs continueront encore à avoir besoin de données à des fins de conception ou d’analyse, une attention croissante doit être portée au besoin d’une information régio- nale exhaustive sur les eaux superficielles, capable de répondre à différents types de questions et de problèmes. Ce qui signifie que l’ensemble des infor- mations, fiches de renseignements et résumés,
cartographie des eaux superficielles et des précipita- tions, estimations hydrologiques par bassin et région et informations relatives à l’estimation de la qualité de l’eau et aux problèmes des eaux souter- raines doivent être disponibles. L’utilisation, en temps réel, des données sur l’eau continuera à croître pour répondre à de nombreux besoins.
2.2.2 Systèmes d’information
hydrologiques
Le présent volume du guide traite des activités de terrain de l’hydrologie opérationnelle. Cependant les données produites par des activités de terrain ont peu ou pas de valeur si elles ne sont pas fiables et facilement accessibles aux utilisateurs poten- tiels. Dans un service hydrologique donné, l’hydrologie opérationnelle peut être considérée comme un système d’information fournissant une base conceptuelle pour le développement d’ap- proches adaptées et garantissant que les bonnes données sont disponibles dans la bonne forme, au bon endroit et au bon moment. La figure I.2.2 présente les composantes d’un système d’informa- tion hydrologique. Idéalement, un système d’information fait partie d’une séquence naturelle d’actions et décisions commençant par la percep- tion d’une opportunité et culminant dans la mise en œuvre des décisions qui en maximisent les impacts positifs.
Un système d’information hydrologique combiné avec une série de modèles – physiques, statistiques ou socioéconomique – constitue un système d’aide à la décision. En ayant fortement à l’esprit les exigences de l’aide à la décision, le concepteur du système d’information peut spécifier les procé- dures à mettre en œuvre pour analyser les données hydrologiques. Ces techniques d’analyse des données peuvent utiliser un seul modèle ou une combinaison de modèles prenant en compte la nature probabiliste, stochastique ou déterministe des phénomènes hydrologiques étudiés. Le volume II de ce Guide (en particulier les cha- pitres 5 à 7), traite de plusieurs de ces techniques d’analyse des données.
La collecte proprement dite des données peut commencer à ce point de la séquence, et c’est aussi en ce point que le feedback, représenté par une flèche en tireté dans la figure I.2.2, commence à prendre place. Les étapes précédentes ayant été fondées sur un certain niveau de connaissance des conditions hydrologiques, lorsque les données sont collectées ce niveau augmente et de nouvelles tech- niques d’analyse des données et une nouvelle conception du réseau peuvent devenir appropriées.
Les recommandations pour la collecte des données sont données dans la section 2.5.
Sur la figure I.2.2, il est possible de voir que l’assu- rance qualité est une partie intégrante du système d’information et intervient dans toute la séquence, des activités de terrain à la diffusion des données et des informations. En raison de son omnipré- sence, on trouvera des recommandations pour l’assurance qualité tout au long de ce volume.
Aucune discussion autour des systèmes d’informa- tion ne peut être complète sans mentionner les systèmes de gestion des données. L’information contenue dans un solide système de gestion des
données est accessible non seulement pour les usages pour lesquels les données ont été collectées, mais aussi pour une multitude d’autres usages qui peuvent ne jamais avoir été anticipés. Cependant cette soli- dité a un prix. Les options inhérentes aux systèmes robustes tendent à rendre leur utilisation difficile, requérant des formations plus approfondies. Ce qui représente la première part du prix, part qui peut être minimisée par la conception de systèmes convi- viaux. Le deuxième facteur du prix est la perte potentielle d’informations que la solidité du système implique. En effet, un système de gestion de données ne pouvant tout faire et satisfaire tout le monde, des compromis doivent être faits qui se traduisent d’habitude par une compression et la perte de Technologie
d’analyse de données
Conception de réseaux de
données
Procédures d’assurance de
qualité
Collecte des données
Système de gestion des données
Information
Système d’information Objectif(s)
Technologie de décision
Impact
Figure I.2.2. Composantes d’un système d’information hydrologique
données et de leurs attributs. Pour limiter cette perte, des sous-systèmes retenant davantage de données objectives et spécifiques peuvent être ajoutés au système central solide. Ces systèmes sont débattus au chapitre 10. La technique actuelle permet le dévelop- pement de systèmes d’informations hydrologiques distribuées incluant des métadonnées consultables.
À condition que les questions de sécurité informa- tique soient pleinement prises en compte, les systèmes virtuels de données fournissent un moyen efficace et solide d’accès aux données et informa- tions nécessaires à la prise de décision.
Le produit ultime du système d’information est obtenu par traitement des données selon la même technique d’analyse que celle qui a, initialement, déterminé la conception du réseau de mesure. Cette phase aboutit à l’intégration de l’information hydrologique dans un processus de décision conçu de façon à avoir un impact optimal. Le moyen d’obtenir cette optimisation tient en la compatibi- lité entre la technique décisionnelle, la technique d’analyse des données et le réseau de mesure.
Un réseau d’information bien conçu repose sur une synergie obtenue de trois façons. Premièrement, l’information est un produit qui n’est pas détruit par son utilisation. Ainsi, si l’information est correctement stockée, elle reste disponible à moindre coût pour différents usages non prévus lors de sa collecte. Deuxièmement, l’information peut être utilisée pour améliorer la compréhension des processus hydrologiques. Cette compréhen- sion améliorée accroît la quantité d’information contenue dans les données déjà acquises ou qui seront acquises dans le futur. Troisièmement, la synergie évolue en s’appuyant sur la réalisation des autres synergies. De nouvelles approches et techniques de conception de systèmes d’informa- tion, tout comme les données qu’ils contiennent sont des ressources réutilisables.
2.2.3 Utilisation des informations sur
les ressources en eau
Les Services hydrologiques ou hydrométéorolo- giques ou les agences associées ont été créés dans les pays pour la collecte systématique des données sur la ressource en eau, leur archivage et leur diffusion tels que décrit ailleurs dans ce volume. Leur rôle principal est de fournir aux décideurs une informa- tion sur l’état et l’évolution des ressources en eau.
Une telle information peut être demandée dans plusieurs buts (OMM/UNESCO, 1991):
a) Évaluation de la ressource en eau d’un pays (quantité, qualité, distribution temporelle et spatiale), du potentiel pour un développement
lié à l’eau et de la capacité des approvisionne- ments à faire face aux demandes actuelles et prévisibles;
b) Planification, conception et réalisation de projets d’aménagement liés à l’eau;
c) Évaluation des impacts sur l’environnement, l’économie et la société des pratiques, exis- tantes et projetées, de gestion de la ressource en eau et planification de saines stratégies de gestion;
d) Renforcement des mesures de sécurité pour les personnes et les biens en prévision d’aléas hydrologiques, en particulier inondations et sécheresses;
e) Répartition de l’eau entre des usages concur- rents, tant à l’intérieur du pays qu’au-delà de ses frontières;
f) Respect des exigences réglementaires.
Le plus souvent, l’information concernant la ressource en eau est collectée pour des besoins parti- culiers comme, par exemple, pour un projet d’usine hydroélectrique. Cependant, de plus en plus, la concurrence qui existe entre les différentes utilisa- tions d’une eau rare, exige une gestion intégrée de la ressource, de façon que les interactions entre les divers projets soient prises en compte. Cela augmente la charge de travail des organismes gestionnaires de l’information sur la ressource en eau, parce que plusieurs types d’informations sont nécessaires simultanément, et doivent être présen- tés sous une forme différente pour chaque utilisateur. Il est donc essentiel que les agences d’évaluation comprennent les besoins de tous leurs utilisateurs, et non plus seulement les besoins de ceux avec qui elles ont l’habitude de travailler.
Encore plus exigeante est la nécessité de projeter les futurs besoins des utilisateurs de données et de commencer à collecter l’information avant qu’une demande ne soit clairement exprimée. Il est donc nécessaire que la conception et la mise à jour des réseaux de données, et spécialement des stations principales, soient coordonnées pour garantir que les stations de contrôle des différents éléments du cycle de l’eau soient suffisamment nombreuses et bien réparties géographiquement pour former un réseau intégré (2.4). Une telle approche devrait mettre en valeur les informations contenues dans les séries de données pour répondre autant aux besoins connus qu’à ceux futurs non encore prévus.
Avec la reconnaissance croissante de certains sujets, comme la possibilité d’un changement climatique et l’impact des activités humaines (comme l’urbani- sation) sur l’environnement, l’information requise est de plus en plus importante en tant que fonde- ment à l’aménagement et le développement durable
