Le cycle de l`eau et le bilan hydrologique

Valérie Borrell Estupina
L2 Hydrologie générale - Montpellier 2011
Le cycle de l’eau et
le bilan hydrologique
Cycle
Définition, Réservoirs, Flux
Ordres de grandeurs
Bilan hydrologique
Le cycle de l’eau
Cycle de l’eau = Mouvement de l ’eau sur Terre
ATMOSPHERE
Cycle fermé
vision simplifiée =
OCEAN
Changements d’état
MASSES
CONTINENTALES
Dans la réalité = Parcours non stéréotypé sans début ni fin :
Cycle de l’eau = Cheminement aux embranchements multiples / les
mécanismes régissant le cycle hydrologique ne surviennent pas
seulement les uns à la suite des autres, mais sont aussi concomitants
La répartition de l’eau
A l’échelle du globe : Réservoirs d’eau
Les océans occupent 70% de la surface du globe et représentent env. 97% de la masse d’eau de la
Biosphère !
OdG Principaux
réservoirs d’eau
– Océans : 97 %
- Eau douce : 3%
• Glacier : 58 à
75 %
• Stock
souterrain : 30.8
à 56 %
• Eau libre (lac,
cours d’eau) <
1%
- Atmosphère
(vapeur) : infime
partie
Les 3% de masse d’eau restants sont sous forme de glace, neige, eaux profondes, eaux
souterraines, eau courante.
La part représentée par la vapeur d’eau de l’atmosphère y est négligeable.
La répartition de l’eau
L’eau séjourne + ou - longtemps dans chaque réservoir : Sa vitesse de
renouvellement conduit à la notion de Temps de séjour
= Volume du réservoir / Flux entrant ou sortant
[Ce temps de séjour vaut entre 0.03 an pour l’atmosphère et est > 8200 ans pour les
nappes souterraines]
La répartition de l’eau
Le cycle de l’eau ne concerne qu’une très faible partie du volume total de l’eau
sur Terre :
• Stock d’eau mondial = 1 460 000 *1012 m3
• Pluie moyenne de 1 m sur toute la surface du globe en 1 an
= 511 * 10 12 m3 -> soit 0.035% qui conditionne la vie à la surface du globe
Le cycle de l’
l’eau se dé
définit à l’échelle
’échelle du globe
ATMOSPHERE
36
434 398
71 107
OCEAN
36
*1012m3/an
MASSES
CONTINENTALES
Rem : (398+107) *1012= 505 *1012mm de pluie ok !
Ordre de grandeur des flux échangés entre les compartiments
Flux variables dans l’espace : ex R/P (Australie) ≈ 10%, R/P(Europe)≈43%
Flux sur les océans : E>P, bilan équilibré par les écoulements des continents
Le cycle de l’eau
Pour conclure, sur le cycle hydrologique :
Importance de l’estimation des temps de sé
séjour et de renouvellement
(en cas de pollution par exemple)
Importance de l’estimation des flux (connaître les flux évaporés pour
étudier la faisabilité de construction de réservoirs d’eau par exemple)
Attention : le cycle hydrologique peut être influencé
influencé à des degré
degrés
divers par les activité
activités humaines : la construction de réservoirs, le
transport de l'eau pour des besoins industriels, le captage des eaux
phréatiques, l'irrigation, le drainage, la correction des cours d'eau,
l'utilisation agricole des sols, l'urbanisation, les pluies provoquées, etc.,
sont des exemples d’interventions humaines sur le cycle de l’eau pour
lesquelles il est nécessaire d’évaluer l’impact.
Valérie Borrell Estupina
L2 Hydrologie générale - Montpellier 2011
Le cycle de l’eau et
le bilan hydrologique
Cycle
Définition, Réservoirs, Flux
Ordres de grandeurs
Bilan hydrologique
Établissement d’un bilan hydrologique
Exemples d’application
Le bilan hydrique
HYDROLOGIE = science physique pour laquelle
la connaissance du milieu est LIMITEE
Illustration Ruissellement
de surface - Echelle des
lois / Echelle
d ’appréhension du milieu
La méthode « expérimentale » en hydrologie
n’est jamais possible car on ne maîtrise jamais
l’ensemble des paramètres du cycle de l’eau et ce quelque soit l’échelle
(même très fine)
BVNE = tt petit bv instrumenté où sont effectuées des recherches en
hydrologie
=> on utilise des modèles simplifiés ou des concepts
BILAN HYDROLOGIQUE = un de ces modè
modèles simplifié
simplifiés
= la conservation de la masse pour un systè
système donné
donné
- Le systè
système et les échelles spatiales ? En général le bassin versant,
une zone géographique, la parcelle ou l ’unité hydrologique, le versant,
le bassin versant, le bassin hydrographique, le continent...
- Les échelles temporelles ? L’année, la saison, un mois, durée d’un
événement pluvieux,…
Le bilan hydrique
= Equation du bilan hydrique/hydrologique sur un intervalle de temps
équation de continuité
Apport d ’une
substance ou
d ’une énergie
(grandeur qui se
conserve dans le
temps)
Pluie,
Ruissellement,
Écoulement
dans les cours
d’eau…
SE
année hydrologique
L’année hydrologique débute à la fin de l’été
hydrologique lorsque la végétation a épuisé toutes
les réserves en eau de la zone racinaire Ru=0
SYSTEME
Variation de Stock
SS
Contenu en eau du BV,
volume d’un tronçon de
rivière, volume d ’une
nappe, d ’un lac,
humidité du sol…
Volumes sur une période donnée
∆Stock = SE -SS
Valeurs moyennes : ∆Stock / ∆t = QE -QS
Flux instantanés : dStock / dt = QE -QS
Excédent
s ’écoulant par
l ’EXUTOIRE
Ruissellement,
Écoulement dans
les cours d’eau,
Evaporation…
Le bilan hydrique
= Équation du bilan hydrologique pour une unité d’espace sur une période
donnée
P = Précipitations
(liquide et solide)
[mm]
R = Ruissellement
de surface et
P
R + ET
écoulements
souterrains [mm]
ET = évaporation et
évapotranspiration
Déficit d’écoulement ou Variation des réserves en eau
[mm]
Unité d’espace
Variation de stock
P = R + ET + ∆S
Variation du contenu en eau de la zone racinaire (eau disponible pour les
plantes, Réserve hydrique = Ru)
Ru
Variation de contenu en eau de la zone subsub-surfacique et souterraine (eau
que l’on pourra retrouver dans les écoulements à l’exutoire, Réserve
hydrologique = Rh)
Rh
Cette formule est valable pour n’importe quels pas de temps et d’espace.
Le bilan hydrique
= Equation du bilan hydrique/hydrologique sur un intervalle de temps
équation de continuité
année hydrologique
P = Précipitations
R = Ruissellement
(liquide et solide)
SYSTEME
de surface et
[mm]
P+S
Variation de Stock R + ET+S
écoulements
S = Ressources
souterrains à
disponibles à la fin
l’exutoire [mm]
Déficit d’écoulement [mm] relatif
de la période
ET = évaporation et
à un intervalle de temps donné
précédente (eaux
évapotranspiration
souterrains,
[mm]
humidité du sol,
P + S = R + ET + S + ∆S
S = Ressources
neige…) [mm]
accumulées à la fin
de la période
Mesures / observations / formules
étudiée [mm]
empiriques
L'application de la méthode du bilan hydrologique est limitée par la
difficulté
difficulté de quantifier les variables ( processus hydrologiques difficiles
à observer directement + répercussions des erreurs de mesure ).
Le bilan hydrique
P
P = Précipitations
(liquide et solide) [mm]
ET
= Équation du bilan hydrique à l’échelle d’une parcelle sur une période donnée
I = Infiltration en
dessous de la zone
racinaire [mm]
ET = évaporation et
évapotranspiration
[mm]
∆ Ru = ∆ S : le stock
d’eau de la zone
racinaire varie
I : alimente Rh
∆ Ru
P = I + ET + ∆ Ru
La zone est une plante ou une parcelle.
I
R né
négligé
gligé
Le bilan hydrique
ET
Mesure
précipitations
Noté Q
Mesure humidité du sol (Ru)
D (vers Rh)
Schéma d'une case lysimétrique (Laborde, 1995)
Bilan hydrique :
P - D - Q - ∆ Ru = ET
P
Le bilan hydrique
Bac d ’évaporation = sorte de modèle réduit du lac, paramètres
climatiques bac = ceux du lac :
Evap. (lac) = Cbac * Evap. (bac)
en 1ière approx. avec Cbac = coef. correction
Bilan Hydrique :
En volumes d ’eau pour Dt :
Evap. (bac) = SEntrant - SSortant – DS
DS = variation du stock d’eau dans le bac pendant Dt
Cf. TD
Le bilan hydrique - Conclusion
Limites d’applications du bilan hydrologique :
Les résultats de calculs de bilan sont dé
dépendants du pas de temps
choisi !
Attention de bien choisir le pas de temps / aux objectifs de l’étude
La valeur de chacun des termes du bilan est dépendante des autres
termes
⇒ Évaluation de l’erreur ou de l’incertitude sur chacun des termes quasi
impossible
⇒ Attention aux grossières erreurs d’interprétation !
L'application de la méthode du bilan hydrique est limitée par la difficulté
difficulté
de quantifier les variables ( processus hydrologiques difficiles à
observer directement + répercussions des erreurs de mesure ).