Fiche de révision : Hydrologie et hydrogéologie

📋 Plan du Cours

1. Cycle et stocks de l’eau
2. Bassins versants et bilan hydrologique
3. Formation et mesure des précipitations
4. Évaporation et évapotranspiration
5. Infiltration et écoulements de surface
6. Nappes et écoulements souterrains
7. Effets hydrologiques du changement climatique

📖 1. Cycle et stocks de l’eau

🔑 Notions clés & Définitions

• Cycle de l’eau : Transport, stockage et changements de phase de l’eau.

★ À maîtriser

📌 Un stock est une quantité d’eau présente dans un réservoir, tandis qu’un flux est une quantité transférée par unité de temps.

📐 Formule - Le temps de résidence est le rapport du stock au flux : $T_{résidence} = \frac{stock}{flux}$.

Compléments

• Les principaux stocks d’eau indiqués sont :

  • 1 335 000 000 km³ dans les océans
  • 28 000 000 km³ dans les glaciers
  • 15 000 000 km³ dans les aquifères souterrains
  • 178 000 km³ dans les lacs et rivières
  • 122 000 km³ dans les sols
  • 12 700 km³ dans l’atmosphère

• Les temps de résidence indiqués sont :

  • 3 200 ans pour les océans
  • 1 600 à 9 700 ans pour les glaciers
  • moins d’un an à 1 400 ans pour les aquifères
  • 1 à 17 ans pour les lacs
  • un an pour l’humidité des sols
  • 16 jours pour les rivières
  • 9 jours pour l’atmosphère

• Les flux évaporé et précipité présentés dans le bilan global sont chacun de 486 000 km³ par an.

💡 Astuce mémo

Un stock est une réserve ; un flux est un transfert par unité de temps.

📖 2. Bassins versants et bilan hydrologique

🔑 Notions clés & Définitions

• Bassin versant : Entité géographique qui reçoit et collecte les eaux de pluie, puis les draine vers un point unique appelé exutoire.

★ À maîtriser

• Un bassin versant se caractérise par : son exutoire, ses limites correspondant à la ligne de partage des eaux, sa surface, sa pente, sa lithologie, l’occupation des sols

📐 Formule - Le débit à l’exutoire est la somme du ruissellement et de l’infiltration : $Q_{exutoire} = R + Inf$.

📐 Formule - À l’échelle saisonnière, le bilan en lame d’eau est $L_{Pluie} = L_R + L_{ETR} + L_{Inf} \pm L_{Dstock}$.

Compléments

• Lorsque le sous-sol est imperméable, le bassin versant est délimité par les lignes de crête et les lignes de plus grande pente, selon la topographie.

📐 Formule - À l’échelle annuelle ou pluriannuelle, lorsque la variation de stock est nulle et l’infiltration profonde négligée, le bilan est $L_{Pluie} = L_Q + L_{ETR}$.

• Pour le bassin versant de la Seine, la superficie indiquée est de 78 650 km² et le débit moyen à Paris est de 310 m³/s.

• Dans le bilan moyen présenté pour un climat tempéré océanique, la pluie est de 700 mm, l’évapotranspiration de 400 mm, le ruissellement de 180 mm et l’écoulement souterrain de 120 mm.

📖 3. Formation et mesure des précipitations

★ À maîtriser

• Les précipitations se forment par condensation de la vapeur d’eau atmosphérique lorsque les masses d’air refroidissent, notamment par détente adiabatique, apport de vapeur d’eau ou turbulence, en présence de noyaux de condensation.

• Les précipitations sont présentées comme :
  • orographiques
  • convectives
  • frontales

📐 Formule - L’intensité moyenne d’une averse est le rapport de la hauteur de pluie à sa durée : $i = \frac{h}{t}$, avec i en mm/h, h en mm et t en heures.

Compléments

• Une masse d’air doit s’élever pour refroidir et permettre la formation de précipitations.

• Les précipitations peuvent être mesurées par pluviomètre journalier, pluviographe, pluviomètre totalisateur ou radar météorologique ; la hauteur de neige peut également être mesurée.

• Le radar météorologique repère les précipitations, calcule leur déplacement et détermine leur type, notamment pluie, neige ou grêle.

📖 4. Évaporation et évapotranspiration

🔑 Notions clés & Définitions

• Évaporation : Passage de l’eau liquide à la vapeur au-dessus des surfaces d’eau libre.
• Évapotranspiration : Processus d’un sol couvert par la végétation qui rassemble l’évaporation de l’eau dans le sol et la transpiration des végétaux.
• Transpiration : Retour de la vapeur d’eau des végétaux vers l’atmosphère.

★ À maîtriser

📌 L’évapotranspiration potentielle (ETP) est une variable climatique théorique calculée pour une surface de référence avec de l’eau toujours disponible, tandis que l’évapotranspiration réelle (ETR) tient compte notamment du déficit hydrique et est inférieure à l’ETP.

Compléments

• L’évapotranspiration consomme de l’énergie pour le passage de l’eau liquide à la vapeur et dépend du bilan d’énergie, de l’humidité de l’air et de l’eau disponible.

• L’évapotranspiration est nulle lorsque l’air est saturé.

📐 Formule - L’indice d’aridité est le rapport de la précipitation annuelle à l’ETM ou à l’ETP : $I_{aridité} = \frac{P_{annuelle}}{ETM\ ou\ ETP}$.

💡 Astuce mémo

ETP décrit un potentiel théorique ; ETR traduit l’évapotranspiration réelle.

📖 5. Infiltration et écoulements de surface

🔑 Notions clés & Définitions

• Ruissellement : Écoulement de surface de l’eau de pluie qui ne s’infiltre pas lorsque la capacité d’infiltration du sol est atteinte, ou qui s’écoule sur une surface saturée.

★ À maîtriser

• L’infiltration est conditionnée par : l’intensité de la pluie, l’humidité du sol, la structure, la texture et la porosité du sol, la compaction de la surface du sol, l’occupation du sol, la topographie et la morphologie

Compléments

• La battance est due à l’énergie cinétique des gouttes de pluie et peut former une croûte de battance à la surface du sol.

• L’eau de ruissellement rejoint les points bas, puis les cours d’eau et enfin l’océan.

• Les inondations par débordement de cours d’eau ou par ruissellement sur des surfaces urbaines ou agricoles ont une dynamique rapide, de quelques heures à plusieurs jours.

• Les remontées de nappe peuvent survenir après une succession d’années humides lorsque le niveau de la nappe atteint la surface du sol, avec une dynamique lente de plusieurs mois.

📐 Formule - Le débit moyen d’un cours d’eau est le produit de la vitesse moyenne par la section : $Q = v_{moyenne} \times S$.

• Le jaugeage mesure le volume d’eau qui traverse une section par unité de temps, et le débit s’exprime notamment en m³/s.

💡 Astuce mémo

Quand la pluie dépasse la capacité d’infiltration, le ruissellement augmente.

📖 6. Nappes et écoulements souterrains

🔑 Notions clés & Définitions

• Infiltration : Transfert de l’eau à travers les couches superficielles du sol.
• Nappe libre : Nappe souterraine en contact direct avec l’atmosphère.

• Niveau piézométrique : Le niveau piézométrique désigne la profondeur de l’eau par rapport au sol ou l’altitude du plan d’eau par rapport au zéro du niveau de la mer, en mètres NGF.

★ À maîtriser

• Les milieux hydrogéologiques présentés sont : les milieux poreux des alluvions et des grès, les milieux à porosité de fractures des granites, gneiss et schistes, les milieux à porosité karstique des calcaires et des dolomies

📌 Dans une nappe, l’aquifère est le matériau de la zone saturée, tandis que la nappe souterraine correspond à l’eau présente dans cette zone.

• L’eau souterraine s’écoule latéralement dans la zone saturée des charges hydrauliques les plus élevées vers les plus basses.

• Une isopièze est une courbe d’égale altitude de la nappe, et l’écoulement souterrain est perpendiculaire aux isopièzes et dirigé des cotes les plus hautes vers les plus basses.

Compléments

• Une carte piézométrique se construit en réalisant plusieurs forages, en mesurant les niveaux piézométriques, en traçant les isopièzes puis en déterminant les directions d’écoulement.

• Deux points d’observation ne suffisent pas pour déterminer correctement le sens d’écoulement souterrain.

📌 Une rivière peut drainer une nappe, tandis qu’une rivière en crue peut alimenter une nappe.

💡 Astuce mémo

Sur une carte, l’eau souterraine descend perpendiculairement aux isopièzes, des cotes hautes vers les cotes basses.

📖 7. Effets hydrologiques du changement climatique

★ À maîtriser

• Selon les projections du GIEC présentées pour un scénario modéré, les précipitations augmentent dans la zone de convergence intertropicale et les régions subpolaires, mais diminuent dans certaines régions sèches comme la Méditerranée. - IPCC AR6, 2021

• Le niveau de la mer augmente assez uniformément sous l’effet du réchauffement et de la fonte des glaciers, ce qui accroît le risque de submersion dans les régions côtières. - GIEC, Rapport Spécial sur l’océan et la cryosphère, 2017

• Les changements de température et de précipitations modifient l’évapotranspiration, la recharge des aquifères, le débit et la température des cours d’eau.

• Le changement climatique augmente les risques hydrologiques liés aux événements extrêmes, notamment les inondations et les sécheresses.

• Les pluies extrêmes augmentent de 7 % pour chaque degré Celsius supplémentaire.

Compléments

• Pour le scénario modéré présenté, les changements des précipitations sont projetés pour 2081-2100 par rapport à 1995-2015. - GIEC, IPCC AR6, 2021

💡 Astuce mémo

Chaque degré supplémentaire renforce les pluies extrêmes de 7 %.