Valérie Borrell Estupina FLST403 - Montpellier 2011 L’évapotranspiration Interception Evapotranspiration 1 Interception Interception verticale = La partie non négligeable de l'eau des précipitations n'atteint pas le sol Pi I = Pi -(Ps + Pt) avec : I: interception (pluie n'atteignant jamais le sol) [mm], Pi: pluie incidente [mm], Ps: pluie atteignant le sol drainée au travers du couvert végétal (canopée) [mm], Pt: pluie atteignant le sol par écoulement le long des branches et des troncs [mm]. Dans un milieu faiblement anthropisé, elle est due à la présence de végétation essentiellement. I Ps Pt = Pi – I = Ps + Pt Interception Interception verticale est influencée par : • Facteurs météorologiques : La structure de l'épisode pluvieux : – Evaporation de l’eau interceptée ∃ dans certaines cdts météo part. : ⇨ Interception lors d’une averse fractionnée > Interception lors d’une averse continue – A l'échelle d'une averse, l'interception est meilleure s'il s'agit d'une pluie fine et faible plutôt qu'une pluie de type orageux : ⇨ Ce sont pour des petites pluies (< 15 mm) de faible intensité que les pertes d'interception du feuillage sont les plus élevées (50 % env. des pluies). – Les pertes d'interception sont moindres lorsque les feuilles sont secouées par des vents violents. ⇨ Ainsi, les quantités d'eau écoulée le long du tronc et la précipitation au sol augmentent avec l'intensité des précipitations et la vitesse du vent ; la capacité de stockage du feuillage n'est pas constante. Difficile à mesurer / prédéterminer les paramètres Interception Interception verticale est influencée par : • Facteurs végétatifs : – Structure intrinsèque de la végétation = la capacité de stockage est fct de la morphologie des végétaux : ⇨ Agencement des feuilles le long des branches. Ainsi, un peuplement de feuillus intercepte en règle générale moins d'eau qu'un peuplement de résineux. ⇨ Végétation basse. La végétation basse (fougères…) a des capacités de stockages du même OdG que celle des feuillus. – Densité des peuplements : ⇨ Définition d’indicateurs basés sur l'estimation de la surface foliaire totale du couvert végétal (proportion en plan de la surface du sol cachée par de la végétation) – Age des peuplements : ⇨ La capacité de stockage augmente rapidement avec l'âge mais finit par atteindre un seuil Difficile à mesurer / prédéterminer les paramètres Source Musy Valérie Borrell Estupina FLST403 - Montpellier 2011 L’évapotranspiration Interception Evapotranspiration – – – – Définitions Evaporation Transpiration Evaluation de l’ETP 6 Evapotranspiration Dans la Troposphère, l'air ambiant n'est pas sec mais contient une part de vapeur d'eau qui est fournie par : L ’EVAPOTRANSPIRATION (ET) englobe l ’ensemble des phénomènes qui causent la vaporisation de l ’eau (passage à la phase vapeur de l ’eau solide ou liquide) Altitude (km) 20 Pression (Pa) Stratosphère 104 Tropopause 10 Troposphère 0 105 T°C -60 Surface de la Terre 20 = EVAPORATION + Evaporation de l ’eau interceptée transpiration TRANSPIRATION évaporation évaporation Evaporation du sol Evapotranspiration L ’EVAPOTRANSPIRATION (ET) = Evaporation de l ’eau interceptée EVAPORATION = Evaporation des surface d’eau libre (Lac, mer, rivière, flaque…) et de l’eau contenue dans le sol et dans les plantes + évaporation transpiration évaporation Evaporation du sol TRANSPIRATION = Transpiration des végétaux émanant de leur feuillage Bien que l ’ET soit la composante du cycle de l ’eau la moins visible, à l ’échelle du globe 2/3 des pluies continentales retournent à l ’atmosphère par ET ! L ’ET affecte les réserves en eau en surface, dans les sols et dans la biomasse (si ET trop forte, alors création d ’un réservoir compromise). Quantité d ’eau dispo pour écosystème et homme = Précipitations - ET => Composante à évaluer correctement ! Mais ces flux verticaux sont dans la pratique difficiles à quantifier…. Evapotranspiration Evaporation de l ’eau interceptée transpiration L ’EVAPOTRANSPIRATION évaporation = Evaporation du sol EVAPORATION + TRANSPIRATION évaporation Changement d’état de l’eau Les changements de phase de l’eau sont provoqués par des variations de pression et de température : Diagramme de phase de l’eau ou de changement d’état Pression e, kPa fusion solidification e 0.61 Solide (glace) liquéfaction, condensation vaporisation Liquide Point triple sublimation Lv = chaleur latente de vaporisation Gaz (vapeur) condensation 0.01 T Lv = 2.501 2.361*10-3 Ta avec Ta : T°C de l ’air et Lv : énergie latente de vaporisation MJ/kg Lv augmente qd Ta diminue Humidité relative Hr= e(T)/es(T)x100(%) Température T, °C Evaporation L ’EVAPORATION affecte toutes les masses d ’eau. • Etendue d’eau libre • Eau contenue dans le sol… = flux des molécules d ’eau qui ont une énergie suffisante pour se vaporiser et rejoindre l ’atm depuis une surface d ’eau. Ces molécules saturent l ’air immédiatement au dessus. La différence air saturé - air sec du dessus influe sur le flux de vapeur d ’eau (mm/jour ou mm/mois ou mm/an). Pour changer de phase -> besoin d ’énergie (chaleur latente de vaporisation) <- fournie par le Rayonnement solaire Evaporation Rappel : Equation de diffusion (Dalton, 1802) : E = f(u) * (es - ea) avec E = flux de vapeur d ’eau dans l ’air (évaporé) es = Tension de vapeur saturante de l ’eau à Tsurf ea = Tension de vapeur de l ’air à la T° d ’une hauteur choisie (es - ea) = Demande évaporative de l ’atmosphère Formulation de f(u) dans la loi de Dalton ? On trouve plusieurs relations empiriques, parmi lesquelles : E = CE * va * (es - ea) avec : va = vitesse moy du vent à la hauteur choisie CE = coef de transfert de la vapeur d ’eau dans l ’air = Nombre de Dalton > intègre dans son calage les autres paramètres influents et non considérés (type de végétation, présence de vague de surface, taille du lac…) Formule de Rohwer : E = 0.484 * (1+0.6 * va) * (es - ea) Evaporation L ’EVAPORATION affecte toutes les masses d ’eau. = flux des molécules d ’eau qui ont une énergie suffisante pour se vaporiser et rejoindre l ’atm depuis une surface d ’eau. Ces molécules saturent l ’air immédiatement au dessus. La différence air saturé - air sec du dessus influe sur le flux de vapeur d ’eau (mm/jour ou mm/mois ou mm/an). = facteurs météorologiques L ’EVAPORATION est influencée par : > Rayonnement solaire : Quantité de chaleur disponible : l’évaporation 1g H2O nécessite l’apport de 550 cal > Température de l’air et de l’eau : T°C de l ’air > , quantité d ’eau que peut retenir l ’atm > => tension de vapeur > > Humidité relative de l’air : reflète le potentiel d ’évaporation > Vitesse du vent : remplacement de l ’air saturé au contact de la surface d ’eau par de l ’air + sec et + froid > Qualité de l ’eau …. Evaporation Evaporation dans le sol : Teneur en eau du sol. Plus le sol est sec et plus les flux évaporés seront faibles. A l'inverse, un sol saturé peut même évaporer de l'eau à un taux supérieur à celui d'une surface d'eau libre vu que le micro-relief du sol peut constituer une surface évaporante plus importante que celle d'un lac ou d'un réservoir. Couleur du sol et albédo. Les sols de couleur claire présentant des valeurs d'albédo élevées vont absorber moins de rayonnement que des sols foncés. Toutefois, dans le cas où la quantité d'eau n'est pas un facteur limitant, les écarts entre l'évaporation d'un sol clair et celui d'un sol foncé ne sont généralement que de l'ordre de quelques %, l'avantage étant donné au sol foncé. … Evapotranspiration Evaporation de l ’eau interceptée transpiration L ’EVAPOTRANSPIRATION évaporation = Evaporation du sol EVAPORATION + TRANSPIRATION évaporation Transpiration La TRANSPIRATION d ’un végétal reflète sa consommation en eau + la quantité de biomasse qu’il produit (80% d ’un végétal = eau). Processus de transfert d ’eau dans le végétal : > Absorption par les racines > Circulation sous forme liquide dans dans le système vasculaire des racines > du tronc > des branches > des feuilles > Transpiration par les pores stomataux des feuilles (=90% de la transpiration totale) La transpiration stomatale est un produit direct de la photosynthèse, qui dépend du rayonnement solaire (=> 95% de la transpiration a lieu le jour). L ’eau forme une continuité d ’une extrémité à l ’autre de la plante => au fur et à mesure qu’elle transpire, ses racines absorbent d ’avantage d ’eau. La transpiration régule aussi la T°C de la plante (en s’évaporant l ’eau emporte une partie de la chaleur de la plante) Transpiration La TRANSPIRATION est influencée par : > Facteurs climatiques > Nature, âge et développement du feuillage de la plante > Humidité du sol Si teneur en eau du sol < teneur min (« point de flétrissement ») alors les racines ne parviennent plus à tirer l ’eau du sol => la transpiration cesse, le feuillage flétrit, la plante meurt. Elle se mesure directement en labo (avec un phytomètre), indirectement en évaluant les besoins des racines -> travail d ’agronome et non pas d ’hydrologue. Evapotranspiration Evaporation de l ’eau interceptée transpiration L ’EVAPOTRANSPIRATION évaporation = Evaporation du sol EVAPORATION + TRANSPIRATION évaporation Evapotranspiration Exemples de Formule d’estimation de l’ETP Formule de Penmann -> utilisation par les experts Formule de Thornthwaite (1944) a 10 * T ( m ) *F(m,ϕ) ETP(m) = 16 * I • ETP(m) : l'ETP moyenne du mois m (m = 1 à 12) en mm • T(m)= moyenne interannuelle des températures du mois, °C • formule approchée de a : a = 0.016 * I + 0.5 • F(m,ϕ) : facteur correctif fonction du mois m et de la latitude ϕ • I, appelé indice thermique annuel : 12 I = ∑ i ( m) m =1 T ( m) i ( m) = 5 1.514 Permet d’estimer des valeurs moyennes mensuelles de l’ETP Coefficient de correction F(m,ϕ ϕ) de la formule de Thornthwaite. dans Brochet P. et Gerbier N, L'évapotranspiration, aspect agrométéorologique, évaluation pratique de l'évapotranspiration potentielle, Monographie N°65 de la Météorologie Nationale,1968, 67 pages. Evapotranspiration Exemple de Formule d’estimation de l’ETP Formule de Turc (1961) Formule Annuelle : ETP = Avec : ETP : ETP en mm par an T : T °C température moyenne sur 1 an P : pluie en mm par an L = 300 + 25 * T + 0 . 05 * T 3 P 2 P 0 .9 + L2 Evapotranspiration Exemple de Formule d’estimation de l’ETP Formule de Turc (1961) Formule Mensuelle/Journalière Si hr >= 50 % (en moy sur la période) ETP = 0 . 013 * J * ( Rg + 50 ) * ( ETP = 0 . 013 * J * ( Rg + 50 ) * ( Si hr < 50 % (en moy sur la période) T ) T + 15 T 50 − hr ) ) * (1 + T + 15 70 ETP : ETP en mm/période J : nombre de jours (J>7) T : T °C température moyenne sur la période hr : Humidité relative de l’air (%) moyenne sur la période Rg : radiation solaire globale moyenne, en cal/cm²/jour (1W/m² = 2.065 cal/cm²/jour) Rg = Iga * ( 0 . 18 + 0 . 62 * h / H ) Iga : radiation solaire directe en l’absence d’atmosphère (cal/cm2/jour) h/H : durée réelle d’insolation maximale possible (varie entre 0.1 et 1) Evapotranspiration Valeurs d'Iga Exemple de Formule d’estimation de l’ETP Formule de Turc (1961) Formule Mensuelle/Journalière Rg : radiation solaire globale moyenne, en cal/cm²/jour (1W/m² = 2.065 cal/cm²/jour) Rg = Iga * ( 0 . 18 + 0 . 62 * h / H ) Iga : radiation solaire directe en l’absence d’atmosphère (cal/cm2/jour) h/H : durée réelle d’insolation maximale possible (varie entre 0.1 et 1) latitude nord 40° 50° janvier 364 222 février 495 360 mars 673 562 avril 833 764 mai 944 920 juin 985 983 juillet 958 938 aout 858 800 septembre 710 607 octobre 536 404 novembre 390 246 décembre 323 180