Chap. 10 ELEMENTS DE BASE DE L`HYDROLOGIE (HUMIDITE

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Chap. 10 ELEMENTS DE BASE DE L’HYDROLOGIE (HUMIDITE, PRECIPITATION,
REGIME, DEBIT…)
- Décrire et expliquer le cycle de l’eau ;
- Décrire et expliquer le mécanisme de formation des précipitations ;
- Présenter les types de précipitations ;
- Présenter les différents régimes de cours d’eau ;
-
INTRODUCTION
L’hydrologie est une science qui a pour objet l’étude de l’eau et de sa circulation naturelle à la
surface de la Terre.
L’hydrologie étudie l’eau sous ses trois états (liquide, solide, gazeux) : l’eau liquide
s’évapore, la neige se sublime
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ou retourne à l’état liquide, la vapeur d’eau se condense et les
précipitations tombent en pluie ou en neige qui alimentent les cours d’eau et les glaciers ;
ceux-ci s’écoulent à la surface des continents et ramènent l’eau à l’océan mondial. En hiver
ou dans les régions froides (hautes montagnes ou hautes latitudes), le sol peut contenir de
l’eau congelée. Le cycle de l’eau est commandé par ses changements d’états incessants.
I- LE CYCLE DE L’EAU
Cycle de l'eau (schéma global)
Sous l'action de l'énergie solaire, l'eau, dans un mouvement incessant, s'évapore et retombe sous forme de
pluie, de neige ou de grêle, s'infiltre ou ruisselle sur les continents ; après un temps de séjour plus ou moins
long (stockage) dans les végétaux, les sols, les nappes souterraines, les glaciers et les cours d'eau, elle rejoint
l'océan, qui présente une immense surface d'évaporation.
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Sublimation : chimie transformation directe (d'un corps) de l'état solide à l'état gazeux sans passage
intermédiaire à l'état liquide

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A- Définition
C’est la circulation continue et permanente de l’eau dans l’atmosphère, à la surface et dans le
sous-sol de la Terre.
Le cycle hydrologique est un concept qui englobe les phénomènes du mouvement et du
renouvellement des eaux sur la terre. Cette définition implique que les mécanismes régissant
le cycle hydrologique ne surviennent pas seulement les uns à la suite des autres, mais sont
aussi concomitants. Le cycle hydrologique n'a donc ni commencement, ni fin.
B- Le mécanisme
Sous l'effet du rayonnement solaire, l'eau évaporée à partir du sol, des océans et des autres
surfaces d'eau, entre dans l'atmosphère. L'élévation d'une masse d'air humide permet le
refroidissement général nécessaire pour l'amener à saturation
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et provoquer la condensation
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de la vapeur d'eau sous forme de gouttelettes constituant les nuages, en présence de noyaux de
condensation. Puis la vapeur d'eau, transportée et temporairement emmagasinée dans les
nuages, est restituée par le biais des précipitations aux océans et aux continents. Une partie de
la pluie qui tombe peut être interceptée par les végétaux puis être partiellement restituée sous
forme de vapeur à l'atmosphère. La pluie non interceptée atteint le sol. Suivant les conditions
données, elle peut alors s'évaporer directement du sol, s'écouler en surface jusqu'aux cours
d'eau (ruissellement de surface) ou encore s'infiltrer dans le sol. Il peut aussi y avoir
emmagasinement temporaire de l'eau infiltrée sous forme d'humidité dans le sol, que peuvent
utiliser les plantes. Il peut y avoir percolation vers les zones plus profondes pour contribuer au
renouvellement des réserves de la nappe souterraine. Un écoulement à partir de cette dernière
peut rejoindre la surface au niveau des sources ou des cours d'eau. L'évaporation à partir du
sol, des cours d'eau, et la transpiration des plantes complètent ainsi le cycle.
Le cycle de l'eau est donc sujet à des processus complexes et variés parmi lesquels nous
citerons les précipitations, l'évaporation, la transpiration (des végétaux), l'interception, le
ruissellement, l'infiltration, la percolation, l'emmagasinement et les écoulements souterrains
qui constituent les principaux chapitres de l'hydrologie. Ces divers mécanismes sont rendus
possibles par un élément moteur, le soleil, organe vital du cycle hydrologique.
Le cycle de l’eau peut être décomposé en quatre processus distincts : stockage, évaporation,
précipitation et ruissellement. L’eau peut être stockée temporairement dans le sol, les océans, les lacs
et les rivières, ainsi que dans les calottes glaciaires et les glaciers. Elle s’évapore depuis la surface
terrestre, se condense en nuages, retombe sous forme de précipitations (pluie ou neige) sur les
continents et les océans, puis s’écoule, ruisselle et, à nouveau, est stockée ou s’évapore dans
l’atmosphère. 1- Les précipitations
Sont dénommées précipitations toutes les eaux météoriques qui tombent sur la surface de la
terre, tant sous forme liquide (bruine
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, pluie
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, averse
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) que sous forme solide (neige
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, grésil
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,
grêle
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) et les précipitations déposées ou occultes (rosée
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, gelée blanche
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, givre
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,...).
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Etat dans lequel vapeur et liquide peuvent coexister en équilibre Exemple : la saturation de l'air
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Passage de l'état gazeux à l'état solide Exemple : la condensation de la vapeur d'eau. Processus par lequel le
volume d'un gaz diminue et sa densité augmente, en général par liquéfaction, comme dans le cas de la buée,
condensée à partir de la vapeur d'eau.
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En météorologie : pluie fine et froide La brume est un amas de vapeurs plus ou moins dense qui flotte au-
dessus de la surface de la terre ou de la mer Le brouillard est un nuage produit près du sol par la concentration de
fines gouttelettes d'eau en suspension dans l'air
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Précipitation atmosphérique sous forme de gouttes d'eau
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Précipitation atmosphérique abondante, soudaine et qui ne dure pas longtemps.

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Elles sont provoquées par un changement de température ou de pression. La vapeur d'eau de
l'atmosphère se transforme en liquide lorsqu'elle atteint le point de rosée
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par refroidissement
ou augmentation de pression. Pour produire la condensation
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, il faut également la présence de
certains noyaux microscopiques, autour desquels se forment des gouttes d'eau condensées. La
source de ces noyaux peut être océanique (chlorides, en particulier NaCl produit par
l'évaporation de la mer), continentale (poussière, fumée et autres particules entraînées par des
courants d'air ascendants) ou cosmiques (poussières météoriques). Le déclenchement des
précipitations est favorisé par la coalescence des gouttes d'eau. L'accroissement de poids leur
confère une force de gravité suffisante pour vaincre les courants ascendants et la turbulence
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de l'air, et atteindre le sol. Enfin, le parcours des gouttes d'eau ou des flocons de neige doit
être assez court pour éviter l'évaporation totale de la masse. Les précipitations sont exprimées
en intensité (mm/h) ou en lame d'eau précipitée (mm) (rapport de la quantité d'eau précipitée
uniformément répartie sur une surface).
En moyenne, les précipitations quotidiennes représentent environ 300 km3.
Approximativement deux tiers s’évaporent à nouveau dans l’atmosphère, le reste alimentant
le débit des rivières avant de retourner à l’océan. Des orages
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isolés peuvent donner
d’énormes quantités de précipitations. Ainsi, si un système de basses pressions hivernales
provoque, pendant sa durée de vie de plusieurs jours, la chute de quelque 100 km3 d’eau sur la
Terre, un violent orage peut déverser 0,1 km3 d’eau en l’espace de quelques heures sur une
région très limitée.
2- Evaporation et évapotranspiration
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Précipitation de cristaux de glace transparents qui tombent des nuages en flocons blancs et légers. La neige se
forme autour de noyaux de congélation — poussières ou d'autres petites particules dans l'atmosphère — quand la
vapeur d'eau se condense à des températures situées en dessous du point de congélation. Les cristaux
partiellement fondus se collent les uns aux autres pour former des flocons de neige, qui peuvent parfois mesurer
de 7 à 10 cm de diamètre.
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Précipitation hivernale formée de pluie partiellement gelée. type de précipitation formée de pluie partiellement
gelée. Par temps froid, quand la pluie pénètre une couche d'air très froid à proximité du sol, elle gèle et se
convertit en neige fondue. Cependant, la pluie ne gèle pas entièrement avant d'atteindre le sol. La neige fondue
est habituellement accompagnée de pluie givrante ou de neige. Quand ce type de précipitation tombe sur les
câbles téléphoniques ou les branches d'arbre glacées, elle forme une couche de glace blanc opaque.
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Précipitation sous forme de grains de glace et de neige habituellement associées en couches alternées.
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Condensation de la vapeur d'eau sous forme de gouttelettes déposées sur les surfaces froides, le plus souvent
pendant les nuits fraîches des saisons chaudes de l'année.
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Abaissement de la température entraînant la congélation de l'eau
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Mince couche de glace qui se forme par cristallisation de l'humidité dans l'air
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On appelle point de rosée la température à laquelle la rosée (condensation de la vapeur d'eau sous forme de
gouttelettes déposées sur les surfaces froides, le plus souvent pendant les nuits fraîches des saisons chaudes de
l'année.) commence à se former dans une masse d'air donnée contenant de la vapeur d'eau. L'air, à une
température donnée et à pression normale, ne peut contenir qu'une certaine quantité de vapeur d'eau. Cette
quantité autorisée augmente lorsque la température s'élève, et diminue quand la température baisse. Dans la
soirée, après une journée chaude, la température de l'air chute, ce qui provoque la saturation de l'air qui ne peut
plus contenir une telle quantité de vapeur d'eau. C'est pourquoi l'excès de vapeur d'eau se condense alors sous
forme de rosée sur toutes les surfaces, comme celle d'un brin d'herbe ou d'une vitre.
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Processus par lequel le volume d'un gaz diminue et sa densité augmente, en général par liquéfaction, comme
dans le cas de la buée, condensée à partir de la vapeur d'eau.
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Agitation de l'atmosphère qui se manifeste notamment par des tourbillons.
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Perturbation violente de l'atmosphère, accompagnée de pluie, de vent, de tonnerre et d'éclairs.

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L’évaporation est le processus par lequel l’eau se transforme en vapeur d’eau et, sous cette
forme gazeuse, entre dans l’atmosphère. Le passage direct de la glace à l’état gazeux s’appelle
sublimation. Les végétaux perdent de l’eau par les pores des feuilles (évapotranspiration).
Quotidiennement, environ 1 200 km3 d’eau s’évaporent des océans, des surfaces des
continents, des plantes, des glaciers et des calottes glaciaires ; une quantité presque identique
retombe sous forme de précipitations. Si l’évaporation ne compensait pas l’eau perdue par les
précipitations, l’atmosphère deviendrait entièrement sèche en 10 jours.
La vitesse d’évaporation croît avec la température, l’intensité du rayonnement solaire, la
vitesse du vent, l’importance du couvert végétal et le degré d’humidité du sol. Elle décroît
quand l’humidité de l’air croît. Le taux d’évaporation varie de quasiment zéro aux pôles à
plus de 4 m par an au niveau du Gulf Stream. La moyenne est de 1 m par an. Avec ce taux
d’évaporation, et si précipitations et ruissellement cessaient, le niveau de la mer baisserait
d’environ 1 m par an.
3- L'interception et le stockage dans les dépressions
La pluie (ou dans certains cas la neige) peut être retenue par la végétation, puis redistribuée en
une partie qui parvient au sol et une autre qui s'évapore. La partie n'atteignant jamais le sol
forme l'interception. Son importance est difficile à évaluer et souvent marginale sous nos
climats, donc souvent négligée dans la pratique. La quantité d'eau susceptible d'être
interceptée varie considérablement. Si la végétation offre une grande surface basale ou
foliaire, donc un important degré de couverture, la rétention d'eau peut atteindre jusqu'à 30%
de la précipitation totale pour une forêt mixte, 25% pour les prairies et 15% pour les cultures.
Le stockage dans les dépressions est, tout comme l'interception, souvent associé aux pertes.
On définit l'eau de stockage comme l'eau retenue dans les creux et les dépressions du sol
pendant et après une averse.
Les volumes d’eau impliqués dans le cycle de l’eau sont énormes. On estime à 1,4 milliard de
km3 le volume d’eau total sur Terre. Réparti de façon uniforme à la surface du globe, il lui
correspondrait une épaisseur moyenne de 3 km. Plus de 97 p. 100 de ce volume est constitué
par l’eau des océans (eaux salées). L’ensemble des eaux douces représente environ 41
millions de km3 — 33 millions de km3 sous forme de glaciers, 8 millions de km3 d’eaux
souterraines
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, 100 000 km3 contenus dans les lacs, 70 000 km3 dans les eaux des sols.
L’atmosphère contient quant à elle en permanence environ 13 000 km3 d’eau, cette quantité
étant destinée à augmenter si le processus de réchauffement de la Terre persiste, dû à l’effet
de serre.
4- L'infiltration et la percolation
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Toutes les eaux souterraines s’accumulent, en fait, dans les minuscules vides ou fissures présents dans le sous-
sol et dans les roches. Une infime quantité d’eau est stockée dans des grottes souterraines. À proximité de la
surface terrestre, la majeure partie des sols et des roches sédimentaires sont tellement poreux que l’eau peut
occuper 20 à 40 p. 100 de leur volume. À mesure que croît la profondeur et la pression, les pores et autres vides
dans les roches se referment. Il en résulte que la majeure partie des eaux souterraines se trouvent dans les 8 à 16
km supérieurs de la croûte terrestre.

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L'infiltration désigne le mouvement de l'eau pénétrant dans les couches superficielles du sol
et l'écoulement de cette eau dans le sol et le sous-sol, sous l'action de la gravité et des effets de
pression. La percolation représente plutôt l'infiltration profonde dans le sol, en direction de la
nappe phréatique. Le taux d'infiltration est donné par la tranche ou le volume d'eau qui
s'infiltre par unité de temps (mm/h ou m3/s). La capacité d'infiltration ou l'infiltrabilité est la
tranche d'eau maximale qui peut s'infiltrer par unité de temps dans le sol et dans des
conditions données. L'infiltration est nécessaire pour renouveler le stock d'eau du sol,
alimenter les eaux souterraines et reconstituer les réserves aquifères. De plus, en absorbant
une partie des eaux de précipitation, l'infiltration peut réduire les débits de ruissellement.
5- Le ruissellement
L’eau qui alimente ruisseaux et rivières est appelée ruissellement de surface. Chaque jour,
fleuves et rivières déversent quelque 100 km3 d’eau dans la mer. L’Amazone, le fleuve au
plus fort débit, fournit environ 15 p. 100 de cette eau. Le ruissellement n’est pas constant. Il
décroît au cours des périodes de sécheresse ou des saisons sèches, et augmente pendant la
saison des pluies, les orages et les périodes de fonte des neiges et des glaces.
L’eau atteint les rivières en s’écoulant en surface ou après avoir transité par des aquifères. Le
ruissellement de surface se produit pendant et peu après les pluies torrentielles ou les périodes
de rapide fonte des neiges et des glaces. Il peut provoquer une hausse rapide du niveau des
rivières et donner lieu à des inondations. Le niveau des rivières peut alors augmenter de plus
de 10 m et inonder de larges régions. Il y a dès lors variation du débit de cette rivière.
II- DEBIT ET REGIME DES FLEUVES ET RIVIERES (OU REGIMES
HYDROLOGIQUES)
Le régime hydrologique d'un cours d'eau résume l'ensemble de ses caractéristiques
hydrologiques et son mode de variation ou mode d'alimentation, c'est-à-dire, la nature et
l'origine des hautes eaux (pluviale, nivale ou glaciaire). Il se définit par les variations de son
débit (le débit liquide correspond au volume d'eau écoulé en une seconde en un point donné
d'un cours d'eau. Il se mesure en m3/s).
Les variations du débit d’un cours d’eau peuvent être interannuelles, saisonnières,
journalières ; elles peuvent consister en des pulsations plus ou moins brutales dans un lit
souvent presque à sec.
Chacun de ces critères donne lieu à la définition de plusieurs types de régimes. Mais,
la répartition des débits selon les mois de l'année (variation saisonnière du débit) est le
plus souvent le seul trait retenu pour une classification complète des régimes, tant les
alternances habituelles de hautes et de basses eaux sont apparentes et ont de conséquences
pour les utilisateurs.