Hydrologie GénéraLe CH 2: Le Bassin Versant PDF

# HYDROLOGIE GENERALE ## **CH 2: LE BASSIN VERSANT** ### **i - Les caractéristiques du réseau de drainage** #### Densité de drainage > La densité est définie comme le rapport de la longueur totale des cours d'eau (temporaires et permanents) à la surface totale du bassin: > $Dd=\sum{L_i}/A$ > Avec $L_i$: Longueur totale de tous les cours d'eau fondé i > - Elle représente la longueur moyenne des cours d'eau par unité de surface. #### Le rapport de confluence > Un paramètre qui caractérise l'importance du développement du réseau d’écoulement > *Numériquement:* > $R = \frac{1}{n-1}\sum{R_i}$ avec $R_i = \frac{N_i}{N_{i+1}}$ > *Ni*: Le nombre des cours d'eau ayant l'ordre i > *n*: L'ordre l'ordre maximal du chevelu > *Graphiquement:* > $log(N_x) = n\ log R_c - x\ log R_e$ > Les deux approches sont à effectuer pour avoir une meilleure estimation de ce coefficient. ### **Ordre du cours d'eau** > La méthode utilisée est celle de Schumm: > - Tout cours d'eau sans affluent est d'ordre 1, > - Tout cours d'eau formé par la réunion de deux cours d'eau d'ordre *x* va avoir l'ordre *x+1* > The image shows a diagram of a drainage basin network with the order of the streams labeled, the order of the basin is 4. ### **Nature de la couverture végétale** | CODE | Nature de la couverture végétale | Sols Grossiers | Sols moyennement grossiers à fin | Sols Fins à très fins | |---|---|---|---|---| | 1 | Forets | Moins de 5% : 0.10 | Moins de 5%: 0.30 De 5 à 10%: 0.35 De 10 à 30%: 0.50 | Moins de 5%: 0.40 De 5 à 10%: 0.50 De 10 à 30%: 0.60 | | 2 | Paturages | Moins de 5%: 0.10 De 5 à 10%: 0.16 | Moins de 5%: 0.30 De 5 à 10%: 0.36 De 10 à 30%: 0.42 | Moins de 5%: 0.40 De 5 à 10%: 0.55 De 10 à 30%: 0.60 | | 3 | Zone cultivées | Moins de 5%: 0.30 De 5 à 10%: 0.40 | Moins de 5%: 0.50 De 5 à 10%: 0.60 De 10 à 30%: 0.72 | Moins de 5%: 0.60 De 5 à 10%: 0.70 De 10 à 30%: 0.82 | | 4 | Zone Urbaines | Moins de 5%: 0.40 De 5 à 10%: 0.50 | Moins de 5%: 0.55 De 5 à 10%: 0.65 | Moins de 5%: 0.65 De 5 à 10%: 0.70 | ## **III-LE BILAN HYDROLIGIQUE** > * Un bilan hydrologique s'exprime par un équilibre entre les apports et les sorties du système et s'étalant sur une période de temps fixée. > * L'équation du bilan hydrique se fonde sur l'équation de continuité et peut s'exprimer comme suit, pour une période (année hydrologique) et un espace (bassin versant) donnés: > * $I-O=ds/dt$ > * /: Entrées par unité de temps = Apports; > * O: Sorties par unité de temps; > * $ds/dt$: Variation de l'emmagasinement dans le temps; > * Les apports peuvent être les précipitations (apports internes) ou/ et les importations de l'extérieur (infiltration pour une nappe souterraine). > * Les sorties intègrent tous les flux sortant du système: évaporation, évapotranspiration, infiltration, écoulement à travers une section de la rivière ou lâchers contrôlés pour des utilisations humaines > * Dans la cas d'un bassin versant topographique, sans ouvrage de stockage à l'exutoire, le bilan hydrologique sur une periode de temps limité est : > * $P = E+Q+I+U+dS$: > * P: Précipitation > * Q: Ecoulement par l'exutoire > * I: Infiltration > * E: Cumul de l'évaporation et l'évapotranspiration > * U: Utilisation humaine controlée > * $dS$: Variation de stock d'eau en surface ## **IV-Le CLIMAT AU MAROC** > * Le Maroc est un pays ayant un climat essentiellement semi-aride à aride dans la majeure partie de son territoire, avec deux principales saisons: Une saison sèche et chaude (de mai à septembre) et une saison froide et humide (d'octobre à avril). > * Le régime pluviométrique au Maroc est caractérisé par une forte variabilité spatiale. Les précipitations moyennes annuelles se répartissent comme suit: > - Supérieures à 800 mm dans la région la plus arrosée du Nord-Ouest; > - Entre 600 à 800 mm au Nord et dans la région du Centre; > - Entre 400 à 600 mm dans la région du Centre; > - Entre 200 et 400 mm dans la région de l'Oriental et du Souss; > - Moins de 200 mm dans les zones sud atlasiques et le Sahara. > The image shows a map of morocco with precipitation zones noted, the north west has the highest precipitation. > * Il est à noter que l'alimentation d'un cours d'eau ne se fait pas uniquement par le ruissellement superficiel. Des écoulements souterrains guidés par le pendage des couches géologiques moins imperméables peuvent contribuer à l'alimentation du cours d'eau principal. > The image shows a diagram showing water infiltration and runoff in a basin, the water is infiltrated into the soil and flows underground to the river below. ### **e - Les caractéristiques de relief** > Le diagramme hypsométrique: représente en abscisse la valeur de la superficie partielle comprise entre deux tranches d'altitudes successives portées en ordonnées. Ces courbes permettent de relever les altitudes caractéristiques du relief: > - L'altitude moyenne du BV $h_{moy}$ = $\frac{1}{A}\sum{S_i(h_i + h_{i+1})/2}$ > - L'altitude médiane du BV $h_{50%}$ > - L'altitude minimale se situe à l'exutoire du BV $h_{min}$ > - L’altitude maximale est l'altitude la plus forte relevée au cours de la délimitations du BV $h_{max}$ > - Le mode ou l'altitude la plus fréquente: correspond à la tranche d'altitude qui représente le maximum de la surface. > The image shows a diagram of a hypsometric curve, this shows how much surface area is at each elevation range of the drainage basin. ### **f - Le rectangle équivalent** > Il s'agit d'une transformation purement géométrique, dans laquelle on assimile le bassin à un rectangle ayant le même périmètre et la même superficie. Les dimensions du rectangle se calculent comme suit: > $K_G≥ 1.12$ > $logL_{eq} = A$ > $log L_{eq} = logP/2$ > $L_{eq} = \frac{K_G√A}{1.12}\sqrt{1-\frac{1}{K_G}}$ > $L_{eq} = √\frac{K_A}{1.12}\sqrt{1-\frac{1}{K_G}}$ > $L_{eq} = \frac{K_G√A}{1.12}\sqrt{1-\frac{1}{K_G}}$ ### **g - Les indices de pente d'un BV** > Leur connaissance est très importante, en effet les eaux ruissellent d'autant plus que la pente des versant est grande > La pente moyenne du bassin : les pentes raides accélèrent le temps de réponse d'un BV, on estime la pente moyenne à partir de la courbe hypsométrique > $P_{moy}$= $2*h_{moy}/L$ (m/Km) > *hmoy*: l'altitude moyenne du bassin (m) > *L*: la longueur du talweg le plus long en Km, on peut prendre la longueur du rectangle_équivalent. > * Indice de pente de roche : Une pente moyenne pondérée par la surface des racines carrées des pentes partielles: > $I_r = \frac{1}{\sqrt{L_{eq}}}\sum{\sqrt{S_i(h_i - h_{h+1)}}}$ > * $S_i$: le pourcentage de la surface comprise entre 2 tranches d'altitude $h_i$ et $h_{i+1}$ > * $L_{eq}$: longueur équivalente en m > * Indice de pente global: Il sert à classer le relief des bassins > $I_g = D/L_{eq}$ > * $D$ est la dénivelée utile entre laquelle s'inscrit 90% de la surface du BV. > * $D_u = h_{5%}-h_{95%}$ > The image shows a diagram of a hypsometric curve with the 5% and 95% marks in red, these points are used to to calculate the D value. > * Critères de classification des sous bassins par nature de relief | Nature de relief | Intervalle | |---|---| | Bassin de plaine | $I_g$< 0.5% | | Entre plaine et ondulation du terrain | 0.5% < $I_g$ <1% | | Zone à ondulation du terrain | 1% < $I_g$ <2% | | Région de collines | 2% < $I_g$ <5% | | Région montagneuse | 5% < $I_g$ | > * Indice de pente classique > L'indice de pente classique consiste à rapporter la dénivelée entre deux points extrêmes du bassin à la longueur du bassin: $I_{classique} = (h_{max}-h_{min})/L_{eq}$ ### **h - La dénivlée spécifique: sert à classifier les relief du BV** > $D_l = 1, \sqrt{A}$ | Valeurs de $ D_s$ | Type de Relief | Caractéristiques | |---|---|---| | $D_s$ < 10 m | $R_1$ | Relief très faible | | 10 < $D_s$ < 25 | $R_2$ | Faible | | 25 < $D_s$ < 50 | $R_3$ | Assez faible | | 50 < $D_s$ < 100 | $R_4$ | Modéré | | 100 < $D_s$ < 250 | $R_5$ | Assez fort | | 250 < $D_s$ < 500 | $R_6$ | Fort | | $D_s$ > 500 | $R_7$ | Très fort | ### **i - Les caractéristiques du réseau de drainage.** > * Le réseau de drainage: c’est l'ensemble des canaux de drainage naturel ou s'écoulent les eaux provenant du ruissellement ou restituées par nappes. > * Un réseau de drainage se compose d'un cours principal qui passe par exutoire fixé pour le bassin délimité et une série de cours d'eau tributaires alimentant ce cours d'eau principal, on les appelle des affluents # **HYDROLOGIE GENERALE** ## **H 3: LES PRECIPITATIONS** ### **I - Introduction** > Les précipitations représentent une composante principale du cycle d'eau. Elles regroupent toutes les eaux météoriques qui tombent sur la surface de la terre, tant sous forme liquide (pluie, brouillard, rosée) que sous forme solide (neige, grêle). > * L'absence de pluies génère des périodes de sécheresse provoquant une diminution et un manque de ressources en eau pour répondre aux besoins prioritaires. Cette diminution est suivie d'une augmentation des impacts de la pollution et dégradation de l'environnement. > * L'excès des pluies provoque aussi deş inondations et de fortes crues destructrices des ouvrages hydrauliques, de l'infrastructure routière, des pertes agricoles..... > Tout projet d'aménagement de bassins versants, nécessite la connaissance des précipitations et par conséquent leur mesure et suivi dans le temps et dans l'espace. ### **II- MESURE DES PRECIPITATIONS LIQUIDES** #### *** Le pluviomètre** > * The image shows a pluviometer > * A pluviometer is a tool used to measure rainfall. It consists of a cylindrical container with a funnel at the top, which is open at the top and collects rain. The amount of collected rain is then measured using a scale. #### *** Le pluviographe** > * The image shows a pluviometer > * A pluviograph is a recording instrument of rainfall. It can record both the amount of rainfall and the time of rainfall based on the amount of rainwater collected. > Quelle que soit la forme de la précipitation, liquide ou solide, on mesure la quantité d'eau tombée durant un certain laps de temps. > La mesure des précipitations s'effectue par deux types d'appareils qui sont normalisés : pluviomètre et pluviographe. Les précipitations sont exprimées en lame d'eau précipitée(mm), ou en intensité (mm/h). > * Le pluviomètre:instrument de base de la mesure des précipitations liquides ou solides. Il indique la quantité d'eau totale précipitée et recueillie à l'intérieur d'une surface calibrée dans un intervalle de temps donnée. > * Le pluviographe: instrument captant la précipitation de la même manière que le pluviomètre mais avec un dispositif permettant de connaître, outre la hauteur d'eau totale, leur répartition dans le temps, autrement dit les intensités. > Le réseau d' observation: On appelle réseau d'observation le réseau formé par l'ensemble des stations pluviométriques pour un bassin versant ou une région donnée. Ils fournissent des mesures ponctuelles publiées, généralement par les services publics, dans des annuaires pluviométriques. ### **TD: Dépuillement des enregistrements à un pluviographe** > On dispose d'un diagramme d'enregistrement des précipitations d'une Station de pluviométrique (figure 1) enregistré par un pluviographe. D'après cet enregistrement, on vous demande de répondre aux questions suivantes : > 1. Sachant que la vitesse de déroulement du diagramme est de 10 mm/h et que le réservoir à siphon se vide chaque fois que le collecteur a reçu une quantité d'eau équivalente à 10 mm, représenter la lame précipitée cumulée en fonction du temps. > 2. Dessiner un hyétogramme en adoptant un pas de temps de 1 heure. > 3. Calculer les intensités maximales (exprimées en mm/h) sur les intervalles de temps suivants: 30 min, 1 h et 2 h. > The image shows a diagram of a pluviograph recording of rainfall, the graph plots rainfall in millimetres on the Y Axis and time on the X Axis. ### **b- Temps de concentration** > * Le débit à l'exutoire augmente progressivement suite à la participation progressive des zones (les plus proches d'abord ensuite les plus éloignées). > * Quand toute la surface aura contribué à l'écoulement, le débit connaitra une valeur maximale. > * Le temps de concentration *tc* est le temps au bout duquel la particule d'eau tombée dans la zone la plus éloignée de l'exutoire va atteindre celui-ci. > * La pluie théoriquement la plus pénalisante pour un bassin versant est celle dont la durée est supérieure ou égale son temps de concentration. > * Le temps de concentration est une caractéristique du bassin qui dépend de la superficie du bassin, des pentes, la longueur et de la densité du réseau hydrographique. > * La littérature propose une multitude de formules empiriques pour le calcul du temps de concentration. De préférence dans la mesure du possible, on vérifie régionalement la validité de ces formules sur la base de données hydro-pluviométriques disponibles. | CODE | Nature de la couverture végétale | Sols Grossiers | Sols moyennement grossiers à fm | Sols Fins à très fins | |---|---|---|---|---| | 1 | Forets | Moins de 5% : 0.10 De 5 à 10%: 0.16 | Moins de 5%: 0.30 De 5 à 10%: 0.35 De 10 à 30%: 0.50 | Moins de 5%: 0.40 De 5 à 10%: 0.50 De 10 à 30%: 0.60 | | 2 | Paturages | Moins de 5%: 0.10 De 5 à 10%: 0.16 | Moins de 5%: 0.30 De 5 à 10%: 0.36 De 10 à 30%: 0.42 | Moins de 5%: 0.40 De 5 à 10%: 0.55 De 10 à 30%: 0.60 | | 3 | Zone cultivées | Moins de 5%: 0.30 De 5 à 10%: 0.40 | Moins de 5%: 0.50 De 5 à 10%: 0.60 De 10 à 30%: 0.72 | Moins de 5%: 0.60 De 5 à 10%: 0.70 De 10 à 30%: 0.82 | | 4 | Zone Urbaines | Moins de 5%: 0.40 De 5 à 10%: 0.50 | Moins de 5%: 0.55 De 5 à 10%: 0.65 | Moins de 5%: 0.65 De 5 à 10%: 0.70 | > ###### Table 2-8: Temps de concentration: > * ###### Formule de Giondotti: > * $T_c = \frac{4√S+1.5L}{0.8√h}$ (Heure) > * *S* la surface du bassin en Km². > * *L* la longueur du cours d'eau principal en Km: > * *h* la différence entre altitude moyenne du bassin et celle de l'exutoire (minimale) en m > * ###### Formule de Turrezza: > * $T_c= \frac{0.108^3}{√I}√SL$ (Heure) > * *I* la pente moyenne du cours d'eau principal en m/m >> * *S* la surface du bassin en km²; > * *L* la longueur du cours d'eau principal en km. >> * ###### Formule de Kiripich: >> * $T_c = 0.945√L^{1.555}/I^{0.385}$ (Heure) >> * *L* la longueur du cours d'eau principal en Km: >> * *D* la différence d'altitude entre les extrémités du cours d'eau principal en m. >> * *I* la pente moyenne du cours d'eau principal en m/m; >> * ###### Formule de Ventura: >> * $T_c = 0.1272√\frac{L}{I}$ (Heure) >> * *S* la surface du bassin en Km². > * ###### Méthode exparnole: >> * $T_c$ = 0.3 $√(\frac{L}{I})^{0.77}$ (Heure) > * *L* la longueur du cours d'eau principal en km; > * *I* la pente moyenne du cours d'eau principal en m/m > * ###### Formule de Van Te chow: > * $T_c= 0.123√(\frac{L}{I})^{0.64}$ (Heure) > * *L* la longueur du cours d'eau principal en km; >> * *I* la pente moyenne du cours d'eau principal en m/m > * ###### Méthode de la vitesse > * $T = Σt_i$ > * $t_i = L_i/V_i$ > * *t_i* Le temps sur des tronçons homogènes en pente et en surface; > * *L_i* la longueur du tronçon homogène en pente et en surface; > * *V_i* la vitesse de l'écoulement sur le tronçon qui dépend de la pente, (tableau 2-8). | Pente (%) | Pâturage (prairies) (dans la partie supérieure du bassin versant) | Bois (forêt) (dans la partie supérieure du bassin versant) | Impluvium naturel (surface recevant la pluie) mal defini | |---|---|---|---| | 0-3 | 0,45 | 0.30 | 0.30 | | 4-7 | 0,90 | 0,60 | 0.90 | | 8-11 | 1,30 | 0.90 | 1.50 | | 12-15 | 1.30 | 1.05 | 2,40 | > * * Aussi d'après le guide hydrologique réalisé pour ADM, il est suggéré de mener les calculs en adaptant la classification suivante: > * S< 20 km²: pour les Pents bassins versants > * 20 <= S < 100 km² : pour des Bassins de taille moyenne à grand moyen > * S >= 150 km²: pour des bassins versants grands ### **j- Le profil en long et le profil en travers d'un BV** > * **Le profil en long:** est une coupe longitudinale du cours d'eau suivant l'axe de l'écoulement, c'est un diagramme sur lequel on représente les points (Xi, Hi) avec Xi est la distance d'un point i à l'éxutoire et Hi l'altitude du font de lit au point i. > * **Le profil en travers:** représente un levé de la section transversale de l'écoulement en un point donné du cours d'eau. > * **Le profil en travers des rivières permet de mettre en relief l'existence d'un lit mineur et un lit majeur de l'écoulement correspondant au champ d'inondation.** > * **Le lit mineur:** identifie l'espace compris entre les berges de la rivière et résulte d'une adaptation naturelle de l'écoulement., on l'appelle aussi le lit ordinaire de l'écoulement. > * **Le lit majeur:** correspond au champ d'inondation pouvant être formé en période de fortes pluies engendrant des crues faisant rehausser le niveau d'eau dans la rivière. > * **Les zone de stockage:** elles sont sans pente, elles ont un un effet de régulateur ou modérateur des crues > The image shows a diagram of a river, showing the riverbed, the watercourse, and it's banks. ### **Le couvert végétal :** > Il a une action importante sur tout le processus de transformation des pluies en débits. En effet le pourcentage de forêts et de cultures ainsi que leur nature et degré de développement interviennent pour conditionner la rapidité du ruissellement superficiel. Elles favorisent l'évapotranspiration et l'interception et limitent le ruissellement puisque 'elles offrent une grande rugosité à l'écoulement des eaux. ### **a-Le coefficient de ruissellement (Cr):** > Il permet de quantifier la part de la pluie qui s'est écoulée au niveau de l'exutoire par rapport à la pluie moyenne qui est reçue par le bassin > $Cr$= Hauteur (volume) d'eau ruisselée/ Hauteur (volume) d'eau précipitée > Avec: > * La hauteur ruisselée= Hauteur moyenne précipitée- Pertes > * La hauteur d'eau précipitée = La hauteur moyenne précipitée dans le bassin > Lorsque le bassin versant est de taille importante et comporte de grandes hétérogénéités par rapport aux paramètres qui influencent le ruissellement de surface, on calcule alors le coefficient de ruissellement moyen par: > $Cr=\frac{∑Cr_{iai}}{∑a_i}$

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