Section 5 Ecoulement de surface
Cette section aborde les processus hydrologiques qui gouvernent la transformation des précipitations en écoulements de surface dans un bassin versant. À travers une présentation des types de ruissellement (Hortonien, par aires contributives variables) et des mécanismes d’infiltration, cette section aborde les facteurs influençant la réponse hydrologique d’un bassin.
L’objectif de cette section est aussi de présenter les outils pratiques, tels que les fonctions de production (CAM, Horton, SCS-CN) et les fonctions de transfert comme l’hydrogramme unitaire, permettant de modéliser la dynamique des écoulements.
Accquis d’apprentissage visés
Être capable d’expliquer les processus hydrologiques clés, comme le ruissellement Hortonien et le ruissellement par aires contributives variables, et de relier ces processus aux caractéristiques du sol, de la pluie et du bassin versant.
Savoir utiliser des fonctions de production (CAM, Horton, SCS-CN) et des fonctions de transfert (hydrogramme unitaire) pour modéliser la réponse d’un bassin versant à une pluie nette et en déduire un hydrogramme d’écoulement.
Être capable d’interpréter les hydrogrammes en fonction des propriétés géomorphologiques et hydrologiques d’un bassin versant et d’évaluer l’impact des pluies successives sur les variations de débit.
5.1 Notions théoriques de la transformation pluie-débit
Cette partie présente les aspects théoriques de la transformation pluie-débit à l’échelle du bassin versant. La mise en pratique et en équation de ces notions théoriques sont évoquées mais sont détaillées dans les sections suivantes.
5.2 Présentation de fonctions de production
Cette partie présente quelques fonctions de production usuelles. Dans un premier temps, nous rappelons les termes et définitions importantes, puis, nous présentons la fonction de production CAM (dite aussi \(Phi\)-index), la fonction de Horton et la fonction SCS-CM (Soil Conservation Service Curve Number).
5.3 Activité sur les fonctions de production
L’objectif est de déterminer la lame d’eau précipitée nette (i.e. contribuant à l’écoulement) à partir de la pluie brute. On s’intéresse à l’averse suivante :
On utilisera 3 méthodes de détermination :
- La méthode de Horton avec comme paramètres : f0 = 70 mm/h, fc = 5 mm/h, k = 0.7 h-1,
- La méthode de capacité d’absorption moyenne (CAM) avec comme paramètre CAM = 8.5 mm/h
- La méthode du Soil Conservation Service et du Curve Number (SCS-CN) avec comme paramètre CN = 75
Vous pouvez importer les éléments du tableur et remplir les colonnes indiquées. Dans ce tableau, \(t\) est le temps en heure, \(i\) est l’intensité de précipitation en mm/h, \(PN_{CAM}\) est la pluie nette obtenue avec la fonction de production CAM (ou Phi-index), \(i_{Horton}\) est la vitesse d’infiltration de la fonction de Horton, \(PN_{Horton}\) est la pluie nette obtenue avec la fonction de production de Horton, \(cP\) est le cumul de pluie brute, nécessaire au calcul de la fonction de production SCS-CN, \(cPn_{SCS}\) est le cumul de précipitation nette de la fonction de production SCS-CN et \(Pn_{SCS}\) est la pluie nette obtenue par la fonction de production SCS-CN.
Maintenant que vous maitrisez les calculs de pluie nette, plaçons nous dans une situation où on connait l’écoulement de surface de l’évènement de pluie précédent et que l’on cherche à déterminer les paramètres des fonctions de production avec la connaissance de l’écoulement de surface. Sur la pluie précédente, la mesure du débit de la rivière permet de déterminer un écoulement de surface cumulé de 5 mm. A l’aide du tableur réalisé à l’étape précédente ou de l’outil ci-dessous, déterminer les paramètres CAM, fo, fc alpha et CN pour le bassin versant. Pour la fonction de Horton, vous conviendrez qu’il y a trop de degré de liberté et que plusieurs jeux de paramètre (f0, fc, alpha) conduisent à la bonne réponse. On considérera donc que f0 et fc sont les valeurs par défaut utilisés précédemment et que seul le paramètre alpha est à modifier.
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