Fiche de révision : Hydrologie et bassins versants

📋 Plan du Cours

1. Domaines de l’hydrologie
2. États et moteurs de l’eau
3. Cycle hydrologique et précipitations
4. Évapotranspiration et rétention
5. Infiltration et écoulements
6. Délimitation des bassins versants
7. Forme et pente du bassin
8. Réseau hydrographique et modélisation

📖 1. Domaines de l’hydrologie

🔑 Notions clés & Définitions

• Hydrologie : L’hydrologie étudie le cycle de l’eau et estime ses différents flux.
• Hydrologie urbaine : Étude de la partie du cycle de l’eau affectée par l’urbanisation ou influant sur le fonctionnement de la ville, notamment les eaux de surface et l’aménagement urbain.
• Hydrologie de surface : Étude des problèmes qualitatifs et quantitatifs des écoulements à la surface des continents.

📝 Points essentiels

• Au sens large, l’hydrologie regroupe la climatologie, l’hydrologie de surface, l’hydrodynamique des milieux non saturés et l’hydrodynamique souterraine en milieux saturés.

📌 En hydrologie de surface, une prévision associe une grandeur à une date, tandis qu’une prédétermination associe une grandeur à une probabilité.

📖 2. États et moteurs de l’eau

🔑 Notions clés & Définitions

• Cycle hydrologique : Ensemble des phénomènes de mouvement et de renouvellement des eaux sur la Terre, sans commencement ni fin, et avec des mécanismes concomitants.

★ À maîtriser

• L’eau existe dans la nature sous trois états :

  • solide, notamment neige et glace
  • liquide, pure ou chargée en solutés
  • gazeux

• Les mouvements de l’eau sont déterminés par :

  • l’énergie thermique solaire
  • la gravité
  • les attractions solaire et lunaire
  • la pression atmosphérique
  • les forces intermoléculaires
  • les réactions chimiques et nucléaires
  • les activités biologiques
  • les activités humaines

Compléments

• Les changements de phase de l’eau dépendent essentiellement de la température et de la pression, ainsi que du degré de pollution de l’atmosphère.

• La gravité intervient dans :

  • les précipitations
  • le ruissellement
  • l’infiltration
  • les courants de convection

📖 3. Cycle hydrologique et précipitations

🔑 Notions clés & Définitions

• Précipitations : Eaux météoriques qui atteignent ou se déposent sur la surface terrestre sous forme liquide, solide ou occulte.

★ À maîtriser

• Sous l’effet du rayonnement solaire, l’eau s’évapore, la masse d’air humide se refroidit jusqu’à saturation, la vapeur se condense en nuages, puis l’eau retombe en précipitations sur les océans et les continents.

• Après les précipitations, l’eau peut : être interceptée par la végétation, s’évaporer, ruisseler vers les cours d’eau, s’infiltrer, être stockée dans le sol, percoler vers les nappes, rejoindre la surface par des sources et des cours d’eau

Compléments

• Les précipitations comprennent :

  • les formes liquides : bruine, pluie et averse
  • les formes solides : neige, grésil et grêle
  • les formes déposées ou occultes : rosée, gelée blanche et givre

• Les précipitations s’expriment en intensité (mm/h) ou en lame d’eau précipitée (mm), correspondant à la quantité d’eau uniformément répartie sur une surface.

💡 Astuce mémo

Soleil → évaporation → condensation → précipitations → écoulements.

📖 4. Évapotranspiration et rétention

🔑 Notions clés & Définitions

• Évaporation : L’évaporation est le passage physique de l’eau de la phase liquide à la phase vapeur, tandis que la sublimation est le passage direct de l’état solide à la vapeur.
• Évapotranspiration : L’évapotranspiration regroupe l’évaporation et la transpiration des plantes.
• Évapotranspiration réelle : Somme de la vapeur d’eau évaporée par le sol et les plantes dans des conditions données d’humidité du sol et de développement physiologique et sanitaire des plantes.
• Évapotranspiration de référence : Quantité maximale d’eau susceptible d’être perdue sous forme de vapeur par un couvert végétal continu spécifié, bien alimenté en eau et sain, en pleine croissance, sous un climat donné.
• Interception : Partie de la pluie ou de la neige retenue par la végétation et qui n’atteint jamais le sol.

★ À maîtriser

• L’interception peut atteindre 30 % des précipitations pour une forêt mixte, 25 % pour les prairies et 15 % pour les cultures.

Compléments

• La radiation solaire est le principal facteur régissant l’évaporation.

💡 Astuce mémo

L’interception retient la pluie sur la végétation ; le stockage la retient dans les creux du sol.

📖 5. Infiltration et écoulements

🔑 Notions clés & Définitions

• Infiltration : Mouvement de l’eau pénétrant dans les couches superficielles du sol puis circulant dans le sol et le sous-sol sous l’action de la gravité et des effets de pression.
• Percolation : Infiltration profonde de l’eau dans le sol en direction de la nappe phréatique.
• Capacité d’infiltration : Tranche d’eau maximale qui peut s’infiltrer par unité de temps dans un sol et dans des conditions données.

★ À maîtriser

📌 Les écoulements rapides comprennent l’écoulement de surface, sur le sol, et l’écoulement de subsurface, dans les premiers horizons du sol, tandis que les écoulements souterrains sont plus lents.

Compléments

• Le taux d’infiltration correspond à la tranche ou au volume d’eau infiltré par unité de temps et s’exprime notamment en mm/h ou en m³/s.

• L’infiltration peut : renouveler le stock d’eau du sol, alimenter les eaux souterraines, reconstituer les réserves aquifères, réduire les débits de ruissellement en absorbant une partie des précipitations

• L’écoulement de surface s’exprime généralement en volume par surface et par temps [L³/L²/T], tandis que les écoulements souterrains et en rivière s’expriment en débit, soit en volume traversant une section par unité de temps [L³/T].

💡 Astuce mémo

L’infiltration pénètre les couches superficielles ; la percolation gagne les profondeurs et la nappe.

📖 6. Délimitation des bassins versants

🔑 Notions clés & Définitions

• Bassin versant : Surface parcourue par un cours d’eau et ses affluents, dont les écoulements convergent vers la section la plus basse appelée exutoire ; unité de base du bilan hydrologique.

★ À maîtriser

📌 Le bassin versant topographique est délimité par les reliefs, tandis que le bassin versant réel tient aussi compte des circulations souterraines et des effets anthropiques.

• Dans des terrains perméables, des eaux peuvent quitter le bassin topographique par infiltration ou l’alimenter depuis un autre bassin par des sources, ce qui rend particulièrement importante la délimitation réelle en région karstique.

• Les barrières artificielles liées à l’urbanisation, comme les routes et les chemins de fer, peuvent modifier les limites superficielles du bassin et changer le sens, la direction, le débit et la qualité des écoulements de surface.

Compléments

• Dans des terrains géologiques imperméables, les limites du bassin topographique suivent la ligne de crête et la ligne de plus grande pente.

• Dans les bassins versants de grande taille, les apports et les pertes souterrains tendent à se compenser, de sorte que le bassin hydrogéologique peut être confondu avec le bassin topographique.

💡 Astuce mémo

Le bassin topographique suit les reliefs ; le bassin réel tient aussi compte des circulations souterraines et des aménagements.

📖 7. Forme et pente du bassin

🔑 Notions clés & Définitions

• Pente moyenne : Moyenne pondérée des pentes des surfaces élémentaires comprises entre deux altitudes données ; elle renseigne sur la topographie et influence le temps de parcours du ruissellement direct et le débit de pointe.
• Courbe hypsométrique : Représentation de l’altitude en fonction de la superficie du bassin.
• Rectangle équivalent : Rectangle de même superficie et de même coefficient de Gravelius que le bassin, avec la même répartition hypsométrique et la distribution des sols, de la végétation et de la densité de drainage respectée entre les courbes de niveau.

★ À maîtriser

📐 Formule - L’indice de compacité de Gravelius est défini par $K_G = \frac{P}{2\sqrt{\pi A}} = 0{,}28\frac{P}{\sqrt{A}}$, où $P$ est le périmètre du bassin en km et $A$ sa superficie en km².

Compléments

📐 Formule - Les dimensions du rectangle équivalent sont données par $L = \frac{K_G\sqrt{A}}{1{,}12}\left[1 + \sqrt{1 - \left(\frac{1{,}12}{K_G}\right)^2}\right]$ et $l = \frac{K_G\sqrt{A}}{1{,}12}\left[1 - \sqrt{1 - \left(\frac{1{,}12}{K_G}\right)^2}\right]$.

📐 Formule - L’indice de pente du rectangle équivalent est calculé par $i_p = \frac{1}{L}\sum_{i=1}^{n}\left(x_i\sqrt{\frac{d}{x_i}}\right)$.

📖 8. Réseau hydrographique et modélisation

🔑 Notions clés & Définitions

• Réseau hydrographique : Ensemble des cours d’eau naturels ou artificiels, permanents ou temporaires, qui drainent les eaux de ruissellement ou les eaux souterraines restituées aux cours d’eau.
• Densité de drainage : Horton - Longueur totale du réseau hydrographique par unité de surface du bassin versant.
• Profil en long : Représentation de l’altitude de points situés sur les berges d’une rivière en fonction de leur distance à l’exutoire.

★ À maîtriser

• La capacité d’infiltration du sol influence la transformation pluie-débit en agissant sur la vitesse d’absorption de l’eau, la rapidité de montée des crues et leur volume.

• La végétation agit sur la transformation pluie-débit par : l’interception, la consommation d’eau, la résistance mécanique opposée au ruissellement, les chemins préférentiels d’infiltration liés aux racines

• La capacité d’infiltration, la couverture végétale et la nature du sol contribuent à déterminer le coefficient de ruissellement, élément clé de la transformation pluie-débit.

Compléments

• Le cours principal est alimenté par des affluents de premier ordre, eux-mêmes alimentés par des affluents de second ordre, jusqu’aux ruisselets et petits cours d’eau de tête de bassin ; la classification de Strahler (1957) est la plus utilisée pour classer les cours d’eau.

📐 Formule - La densité de drainage se calcule par $D_d = \frac{\sum_i L_i}{A}$, où $L_i$ est la longueur des cours d’eau en km et $A$ la superficie du bassin en km².

• La nature du sol peut être caractérisée par des cartes pédologiques détaillées et par l’état d’humidité du sol.

• Les modèles numériques de terrain peuvent être obtenus par : la numérisation de cartes topographiques, le traitement d’images radar, le traitement stéréographique de photographies aériennes

• Les MNT issus de cartes topographiques mettent en évidence :

  • les variations d’altitude
  • le réseau de drainage
  • les lignes de crête
  • les talwegs

📊 Tableaux de synthèse

Délimitation des bassins versants