Principes de l'hydrologie et des bassins versants

Système hydrologique

Les phénomènes hydrologiques sont extrêmement complexes, de sorte qu'on ne peut jamais les comprendre complètement. L'absence d'un design parfait peut être représentée sous une forme simplifiée en utilisant la notion de système, considéré comme un ensemble de parties interactives formant un tout. Le cycle hydrologique peut être vu comme un système dont les composants seraient : les précipitations, l'évaporation, le ruissellement et d'autres éléments du cycle. Ces éléments peuvent être regroupés en sous-systèmes pour faciliter l'analyse, permettant de traiter chaque partie séparément avant de combiner les résultats en fonction de leurs interactions.

Modèle hydrologique

L'objectif de l'analyse des systèmes hydrologiques est d'étudier leur fonctionnement et de prévoir leur sortie. Un modèle hydrologique est une approximation du système réel : ses entrées et sorties sont des variables hydrologiques mesurables, et sa structure est un ensemble d'équations ou de fonctions de transfert transformant les variables d'entrée en variables de sortie. Les premières classifications distinguent deux catégories : la modélisation physique et les modèles mathématiques. La première représente le système à échelle réduite (modèles hydrauliques), tandis que la seconde le représente mathématiquement par une série d'équations reliant les variables. La plupart des processus hydrologiques étant aléatoires et variables dans le temps et l'espace, le développement d'un modèle nécessite des simplifications.

Le bilan hydrique

Ce système consiste en une surface inclinée, totalement imperméable, bordée sur quatre côtés avec une sortie au point A. Si une entrée de pluie est appliquée, un écoulement de surface se développera en A. Le bilan hydrique peut être représenté par l'équation suivante : I - O = dS / dt (1.1), où I est l'entrée par unité de temps, O la production par unité de temps et dS/dt la variation de stockage. En réalité, le bilan d'un bassin versant est plus complexe en raison des pertes par évaporation, des dépressions du sol et de l'infiltration. Le bilan global peut être visualisé et représenté par les équations suivantes :

• a) Bilan de l'eau à la surface : P - R - E_s - T_s - I = ΔS (1.2)
• b) Bilan de l'eau sous la surface : I + G₁ - G₂ - R_g - E_g - T_g = ΔS_g (1.3)
• c) Bilan hydrique dans le bassin versant : P - R - (E_s + E_g) - (T_s + T_g) - (G₂ - G₁) = ΔS_s + ΔS_g (1.4)

Bassin versant

Le bassin versant est une unité géographique essentielle pour l'application du bilan hydrique. Selon Viessman, Harbaugh et Knapp (1977), c'est l'ensemble du territoire drainé par un cours d'eau ou un système de cours d'eau, dont les eaux convergent vers un point de sortie. Les caractéristiques physiques et fonctionnelles d'un bassin déterminent la nature de la décharge d'un ruisseau. Leur compréhension est cruciale pour : a) comparer les bassins, b) interpréter les événements passés, c) prévoir les débits.

Caractéristiques physiques du bassin

Limite du bassin

Le bassin est délimité par une ligne formée par les points topographiques les plus hauts, appelée ligne de partage des eaux. Cette limite divise les précipitations entre les bassins avoisinants. Le débit d'eau est composé du ruissellement de surface et des écoulements souterrains. Bien qu'il existe des diviseurs topographiques et des diviseurs de nappes phréatiques, on utilise généralement le diviseur topographique pour définir la superficie du bassin.

Superficie du bassin

La zone du bassin est la surface plane (projection horizontale) inscrite dans la limite du bassin. C'est l'élément de base pour le calcul des autres caractéristiques physiques, généralement exprimé en km² ou en hectares.

Forme du bassin

La forme du bassin influence le temps de concentration, défini comme le temps requis pour que l'ensemble du bassin contribue à l'écoulement au point d'étude. Si les grands bassins ont souvent une forme de poire, les petits bassins varient considérablement selon leur structure géologique. Plusieurs indices sont utilisés pour relier ces formes à des figures géométriques connues.