hydrologie laborde

ELEMENTS D'HYDROLOGIE DE SURFACE
Par J.P. LABORDE
Professeur à l'Université de Nice - Sophia Antipolis
Ingénieur hydraulicien de l'ENSEEIH Toulouse
Ingénieur hydrogéologue de l'ENSG Nancy
Docteur es Sciences en Hydrologie
Edition 2009
ECOLE POLYTECHNIQUE DE L’UNIVERSITE DE NICE - SOPHIA ANTIPOLIS
Département Hydroinformatique et Ingénierie de l’Eau
1645, Route des Lucioles – 06410 BIOT - France
Tél [phone] • Fax [phone] • la[email protected] • www.polytech.unice.fr

Avertissements
Ce cours correspond essentiellement aux enseignements dispensés à Polytech’Nice (Cycle ingénieur et Master
Hydroprotech), à l'Ecole Nationale Supérieure de Géologie de Nancy (Institut National Polytechnique de Lorraine) et à
l'Ecole National du Génie de l'Eau de Strasbourg. Certaines parties sont également aux programmes de multiples
enseignements de formation initiale (Licences et Master. de l'Université de Nice - Sophia Antipolis) et de formation
continue (C.N.F.P.T., Centre International de l'Eau de Nancy, Office International de l'Eau …).
La version 2007 de ce cours remplace et corrige les versions antérieures. Mais malgré le soin apporté, il ne fait
aucun doute que des fautes de frappe et des anomalies persistent. Voici donc quelques :
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que je laisse le lecteur placer où bon lui semblera !
Afin que ce cours puisse s'améliorer au fil des temps, je serais très reconnaissant aux lecteurs de me faire fart
des erreurs ou anomalies qu'ils auraient détectées à mon adresse électronique :
[e-mail]
Enfin, ce cours s'inspire essentiellement d'ouvrages, d'articles, de communications, de notes internes aux
auteurs multiples. Qu'ils me pardonnent de ne pas les citer tous !
"… Le plagiat est à la base de toutes les littératures, sauf la première… qui d'ailleurs est inconnue ! "
Jean Giraudoux (Siegfried)

Eléments d'Hydrologie de Surface - I -
SOMMAIRE
I - INTRODUCTION A L'HYDROLOGIE DE SURFACE.......................................................................................... 1
I - 1 : D EFINITIONS : ...................................................................................................................................................... 1
I - 2 : S CIENCES UTILISEES ........................................................................................................................................... 1
I - 3 : D OMAINES D ' APPLICATIONS .............................................................................................................................. 1
I - 4 : L ES METHODES DE TRAVAIL EN HYDROLOGIE DE SURFACE ......................................................................... 1
I - 5 : G RANDES DIVISIONS DU COURS ........................................................................................................................ 2
II - LE CYCLE DE L'EAU .............................................................................................................................................. 3
II - 1 : E TATS ET SITUATIONS DE L ' EAU ...................................................................................................................... 3
II - 2 : S TOCKS , FLUX ET INERTIE DES SYSTEMES ..................................................................................................... 3
II. 2 . 1 : Volumes ...................................................................................................................................................... 3
II - 2 - 2 : Flux ........................................................................................................................................................... 3
II- 2 - 3 : Inertie des systèmes.................................................................................................................................... 3
II - 3 : C YCLE DE L 'E AU ................................................................................................................................................ 4
III - LE BASSIN VERSANT ............................................................................................................................................ 5
III.1 - N OTION DE "B ASSIN V ERSANT " ....................................................................................................................... 5
III.1.1 - Bassin versant topographique ...................................................................................................................... 5
III.1.2 - Bassin versant hydrogéologique .................................................................................................................. 5
III.2 - C ARACTERISTIQUES MORPHOMETRIQUES ...................................................................................................... 5
III.2.1 - Caractéristiques de la disposition dans le plan ........................................................................................... 5
III.2.1.1 - Surface A ................................................................................................................................................................. 5
III.2.1.2 – Longueur ................................................................................................................................................................ 5
III.2.2 - Caractéristiques des altitudes (hypsométrie) ............................................................................................... 7
III.2.3 - Les indices de pente ..................................................................................................................................... 7
III.2.3.1 – La pente moyenne ................................................................................................................................................... 7
III.2.3.2 - Indice de pente de Roche Ip .................................................................................................................................... 7
III.2.3.3 - Indice de pente globale Ig ....................................................................................................................................... 8
III.2.3.4 - Dénivelée spécifique Ds .......................................................................................................................................... 8
III.2.3.5 - "Reliefs ratios" ........................................................................................................................................................ 9
III.2.4 - Les Modèles Numériques de Terrain ............................................................................................................ 9
III.3 - C ARACTERISTIQUES DU R ESEAU H YDROGRAPHIQUE ................................................................................... 9
III.3.1 - Hiérarchisation du réseau ............................................................................................................................ 9
III.3.2 - Les lois de Horton ...................................................................................................................................... 10
III.3.3 - Autres caractéristiques du chevelu............................................................................................................. 10
III.3.3.1 - La densité de drainage Dd ..................................................................................................................................... 10
III.3.3.2 - La fréquence des thalwegs d'ordre 1 : F1 .............................................................................................................. 10
III.3.3.3 - La courbe aire-distance ......................................................................................................................................... 10
III.3.3.4 - Endoréisme............................................................................................................................................................ 10
III.3.4 - P ROFILS EN LONG .......................................................................................................................................... 10
III.4 - C ARACTERISTIQUES GEOLOGIQUES ............................................................................................................... 11
III.5 - L E C OUVERT V EGETAL ................................................................................................................................... 12
III.6 - C ARACTERISTIQUES GLACIOLOGIQUES ......................................................................................................... 12
IV - L'ATMOSPHERE ................................................................................................................................................... 13
IV.1 - C ONSTITUTION DE L 'A TMOSPHERE ................................................................................................................ 13
IV.1.1 - Composition de l'atmosphère ..................................................................................................................... 13
IV.1.1.1 - Atmosphère sèche ................................................................................................................................................. 13
IV.1.1.2 - Mélange air-eau .................................................................................................................................................... 13
IV.1.2 - Champ vertical des pressions ..................................................................................................................... 14
IV.1.3 - Champ vertical des températures ............................................................................................................... 14
IV.1.3.1 - Champ vertical moyen .......................................................................................................................................... 14
IV.1.3.2 - Gradient vertical de l'adiabatique sèche ................................................................................................................ 15
IV.1.3.3 - Gradient vertical de l'adiabatique humide ............................................................................................................. 15
IV.1.3.4 - Gradient vertical du point de rosée ....................................................................................................................... 15
IV.1.4 - Stabilité et instabilité atmosphérique ......................................................................................................... 15
IV.1.5 - Etude des précipitations ............................................................................................................................. 16
IV.1.5.1 - Les nuages............................................................................................................................................................. 16
IV.1.5.2 - Déclenchement des précipitations ......................................................................................................................... 16
IV.1.5.3 - Entretien des précipitations ................................................................................................................................... 16
IV.1.5.3.1 Précipitations de convection : ......................................................................................................................... 16
IV.1.5.3.2 Précipitations orographiques :......................................................................................................................... 16
IV.1.5.3.3 Précipitations de front : ................................................................................................................................... 17
IV.1.5.4 - Précipitations solides ............................................................................................................................................ 17

Eléments d'Hydrologie de Surface - II -
IV.1.5.4.1 La grêle : ........................................................................................................................................................ 17
IV.1.5.4.2 La neige : ........................................................................................................................................................ 17
IV.2 - L'A TMOSPHERE , COLLECTEUR DE CHALEUR ............................................................................................... 17
IV.2.1 - L'énergie solaire ........................................................................................................................................ 17
IV.2.2 - Diffusion et absorption de l'énergie solaire dans l'atmosphère................................................................. 18
IV.2.3 - Rayonnement terrestre ............................................................................................................................... 18
IV.3 - C IRCULATION GENERALE DANS L 'A TMOSPHERE ........................................................................................ 18
IV.3.1 - Les pressions et les vents ........................................................................................................................... 18
IV.3.1.1 - Répartition méridienne ......................................................................................................................................... 18
IV.3.1.2 - Influence de la rotation terrestre ........................................................................................................................... 18
IV.3.1.3 - Influence de la répartition des terres et des océans ............................................................................................... 19
IV.3.2 - Les masses d'air ......................................................................................................................................... 19
IV.3.3 - Les fronts et les précipitations associées ................................................................................................... 19
IV.3.3.2 - Les fronts chauds : ................................................................................................................................................ 20
IV.3.3.3 - Les fronts occlus : ................................................................................................................................................ 20
IV.3.3.1 - Les fronts froids : ................................................................................................................................................. 20
V - MESURES LIEES A L'ESTIMATION DE L'EVAPORATION ET DE L'EVAPOTRANSPIRATION ....... 21
V.1 - M ESURE DES PARAMETRES PHYSIQUES CONDITIONNANT L 'E VAPORATION ............................................. 21
V.1.1 - Mesure des températures ............................................................................................................................ 21
V.1.2 - Mesure de l'humidité de l'air....................................................................................................................... 22
V.1.2.1 - Psychromètre ......................................................................................................................................................... 22
V.1.2.2 - Hygromètre enregistreur ........................................................................................................................................ 22
V.1.3 - Mesure des pressions .................................................................................................................................. 23
V.1.4 - Mesure du rayonnement solaire .................................................................................................................. 23
V.1.5 - Mesure du vent ............................................................................................................................................ 23
V.2 - M ESURES DE L 'E VAPORATION ........................................................................................................................ 24
V.2.1 - Mesures de l'évaporation à partir d'une surface libre ................................................................................ 24
V.2.1.1 - Bac classe A (du Weather Bureau, U.S.A.) ........................................................................................................... 24
V.2.1.2 - Bac Colorado et Bac ORSTOM ............................................................................................................................. 24
V.2.1.3 - Bac CGI 30 ............................................................................................................................................................ 24
V.2.1.4 - Utilisation des bacs et des résultats des mesures ................................................................................................... 24
V.2.2 - Mesure de l'évaporation à partir de surfaces poreuses : les atmomètres ................................................... 25
V.2.2.1 - Le "Black Bellani" ................................................................................................................................................. 25
V.2.2.2 - Le "Piche" .............................................................................................................................................................. 26
V.3 - M ESURES ET E STIMATION DE L 'E VAPOTRANSPIRATION ............................................................................. 26
V.3.1 - Notion d'évapotranspiration réelle et potentielle ........................................................................................ 26
V.3.2 - Mesures directes ......................................................................................................................................... 26
V.3.3 - Estimation de l'évapotranspiration ............................................................................................................. 27
V.3.3.1 - Formule de Turc .................................................................................................................................................... 27
V.3.3.2 - Formule de Thornthwaite ...................................................................................................................................... 28
V.3.3.3 - Estimation de l’E.T.P. par la méthode de Penman ................................................................................................. 28
V.3.3.4 - Autres formules ..................................................................................................................................................... 29
V.3.4 - Evaluation de l'évapotranspiration réelle ................................................................................................... 29
V.3.4.1 - Formule de Turc .................................................................................................................................................... 29
V.3.4.2 - Bilan simplifié selon THORNTHWAITE ..................................................................................................................... 30
V.3.4.3 - Bilan tenant compte du stress hydrique de la végétation ....................................................................................... 30
VI - MESURES DES PRECIPITATIONS ................................................................................................................... 33
VI.1 - D IFFICULTES DE LA MESURE ......................................................................................................................... 33
VI.2 - A PPAREILLAGES PLUVIOMETRIQUES ........................................................................................................... 33
VI.2.1 - Les pluviomètres ........................................................................................................................................ 33
VI.2.2 - Les pluviographes ...................................................................................................................................... 33
VI.2.2.1 Enregistrement mécanique : .................................................................................................................................... 35
VI.2.2.2 Pluviographe transducteur d'impulsions : .............................................................................................................. 35
VI.2.2.3 Mesure de l'équivalent en eau des chutes de neige : .............................................................................................. 35
VI.2.2.4 Précision des appareils : ........................................................................................................................................ 35
VI.2.3 - Les nivomètres ........................................................................................................................................... 35
VI.2.3.1 - Mesures par sondage ............................................................................................................................................ 35
VI.2.3.2 - Mesures en continu du poids ................................................................................................................................ 35
VI.2.3.3 - Nivomètres à rayonnement γ ................................................................................................................................ 36
VI.3 - S TATIONS PLUVIOMETRIQUES ....................................................................................................................... 36
VI.3.1 - Le site ......................................................................................................................................................... 36
VI.3.2 - Précautions d'installation .......................................................................................................................... 36
VI.4 - G ESTION DU RESEAU ...................................................................................................................................... 36
VI.4.1 - Fréquence des observations ...................................................................................................................... 36
VI.4.2 - Publication des résultats............................................................................................................................ 37

Eléments d'Hydrologie de Surface - III -
VI.5 E VALUATION DES PRECIPITATIONS PAR LES RADARS METEOROLOGIQUES ............................................... 37
VI.5.1 Intensité des précipitations ........................................................................................................................... 37
VI.5.2 Distribution statistique de la granulométrie des précipitations.................................................................... 37
VI.5.3 La zone cible du radar .................................................................................................................................. 38
VI.5.4 Réflectivité radar et puissance reçue ............................................................................................................ 38
VI.5.5 Etalonnage du radar ..................................................................................................................................... 39
VI.5.5.1 Radar utilisé seul ..................................................................................................................................................... 39
VI.5.5.2 Radar utilisé conjointement avec des pluviographes ............................................................................................... 39
VII - HYDROMETRIE .................................................................................................................................................. 43
VII.1 - A CQUISITION DES DEBITS EN FONCTION DU TEMPS ................................................................................... 43
VII.2 - L ES METHODES DE JAUGEAGES .................................................................................................................... 43
VII.2.1 - Réservoirs étalonnés ................................................................................................................................. 43
VII.2.2 – Déversoirs ................................................................................................................................................ 43
VII.2.3 - Jaugeurs à ressaut .................................................................................................................................... 44
VII.2.4 - Jaugeages par dilution .............................................................................................................................. 45
VII.2.4.1 - Choix du traceur .................................................................................................................................................. 45
VII.2.4.2 - Choix du site ........................................................................................................................................................ 46
VII.2.4.3 - Injection à débit constant ..................................................................................................................................... 46
VII.2.4.4 - Méthode dite globale ........................................................................................................................................... 47
VII.2.4.5 - Mise en oeuvre pratique ...................................................................................................................................... 47
VII.2.4.5.1 Concentrations C1 à injecter :........................................................................................................................ 47
VII.2.4.5.2 Injection : ...................................................................................................................................................... 47
VII.2.4.5.3 Prélèvements et analyses : ............................................................................................................................. 48
VII.2.4.6 - Domaine d'application ......................................................................................................................................... 48
VII.2.5 - Jaugeages par exploration du champ des vitesses .................................................................................... 48
VII.2.5.1 - Le matériel de mesures ........................................................................................................................................ 49
VII.2.5.1.1 Les capteurs : les hélices :............................................................................................................................. 49
VII.2.5.1.2 Traitement du signal : les moulinets ............................................................................................................. 50
VII.2.5.1.3 Enregistrement : les compteurs .................................................................................................................... 50
VII.2.5.1.3 Les supports .................................................................................................................................................. 51
VII.2.5.2 - Matérialisation de la section et déplacement transversal ..................................................................................... 52
VII.2.5.2.1 Jaugeages "en bottes" ..................................................................................................................................... 52
VII.2.5.2.3 Jaugeages au saumon depuis un pont : ......................................................................................................... 52
VII.2.5.2.4 Jaugeages avec trailles téléphérique ............................................................................................................. 53
VII.2.5.2.5 Jaugeages en bateau : .................................................................................................................................... 53
VII.2.5.3 - Conduite et exploitation du jaugeage .................................................................................................................. 54
VII.2.5.3.1 Choix du site .................................................................................................................................................. 54
VII.2.5.3.2 Choix des verticales : ..................................................................................................................................... 54
VII.2.5.3.3 Durée et nombre de mesures sur une verticale :............................................................................................. 54
VII.2.5.3.4 Exploitation du jaugeage ............................................................................................................................... 55
VII.2.5.3.6 Jaugeages par "verticales indépendantes" ...................................................................................................... 56
VII.2.6 - Système mobile de mesure de débit à effet Doppler ................................................................................. 56
VII.2.7 - Jaugeage au flotteur ................................................................................................................................. 57
VII.3 - L ES S TATIONS DE J AUGEAGE ........................................................................................................................ 57
VII.3.1 - Le seuil ou contrôle ................................................................................................................................... 58
VII.3.2 - Limnimétrie ............................................................................................................................................... 59
VII.3.2.1- Les échelles .......................................................................................................................................................... 59
VII.3.2.2 - Les limnigraphes à flotteur .................................................................................................................................. 60
VII.3.2.3 - Les limnigraphes dits à bulles .............................................................................................................................. 61
VII.3.2.4 - Sondes piézorésistives immergées (S.P.I.) ........................................................................................................... 61
VII.3.2.5 - Limnigraphes à ultra-sons .................................................................................................................................... 62
VII.3.2.6 - Remarques sur la gestion des limnigraphes ......................................................................................................... 62
VII.3.3 - Les sections de jaugeage ........................................................................................................................... 62
VII.3.4 - Les courbes de tarage ............................................................................................................................... 63
VII.4 - E TABLISSEMENT DES HYDROGRAMME S ET DES A NNUAIRES H YDROLOGIQUES ................................... 64
VII.4.1 - Digitalisation des courbes de tarage et des limnigrammes ....................................................................... 64
VII.4.2 - Les annuaires ............................................................................................................................................ 64
VII.5 - T ENDANCES ACTUELLES ............................................................................................................................... 64
VII.5.1 - Techniques possibles d'enregistrement en continu des débits ................................................................... 64
VII.5.1.1 - Jaugeages par ultra-sons ...................................................................................................................................... 64
VII.5.1.2 - Jaugeages chimiques en continu .......................................................................................................................... 64
VII.5.1.3 - Jaugeages électro-magnétiques ............................................................................................................................ 64
VII.5.2 - Amélioration des techniques existantes ..................................................................................................... 64
VII.5.2.1 - Techniques de jaugeage par exploration du champ des vitesses .......................................................................... 65
VII.5.2.2 - Codage et archivage des données ........................................................................................................................ 65
VII.6 - D EVELOPPEMENT DES TELETRANSMISSIONS ............................................................................................. 65
VII.6.1 - Télétransmissions par réseau téléphonique .............................................................................................. 65