Géologie 20

13. NOTIONS D’HYDROLOGIE

13.1 Régimes hydrologiques

On appelle régime hydrographique les variations dans l’année de l’alimentation en eau des rivières. Il dépend des précipitations reçues et se trouve donc étroitement lié au climat. Les régimes sont marqués par l’existence de période de basses eaux, l’étiage, et d’une ou deux périodes de hautes eaux, la crue.

Les relevés des débits d'une rivière pendant une longue série d'années montrent des variations saisonnières systématiques (position des hautes et basses eaux) en fonction des principaux facteurs influençant l'écoulement : le régime des précipitations, la nature du bassin versant, sa situation géographique, l'infiltration, etc.

Le régime hydrologique d'un cours d'eau résume l'ensemble de ses caractéristiques hydrologiques et son mode de variation. Il se définit par les variations de son débit habituellement représentées par le graphique de l'écoulement mensuel moyen (calculé sur un certain nombre d'années et aussi appelé débit "inter-mensuel" ou module mensuel).

La figure de la page suivante représente des valeurs de modules mensuels moyens de certain cours d'eau dans le monde.

On utilise aussi le coefficient mensuel de débits, qui est défini comme le rapport du débit mensuel moyen au module inter-annuel

(

moyenne inter-annuelle calculée sur un certain nombre d'années).

Celui-ci permet de représenter la répartition, en pourcentage, des débits mensuels au cours de l'année.

 

 

La courbe des coefficients mensuels de débits de l' année moyenne permet de mettre en évidence le caractère systématique des variations saisonnières, et de comparer les rivières entre elles.

La connaissance de ce coefficient est aussi d'un grand intérêt pour pouvoir estimer les volumes écoulés au cours d'une saison afin de dimensionner une retenue.

13.2 Principaux régimes hydrologiques

Une des classifications des régimes hydrologiques des rivières les plus simples est celle de Pardé (1933), qui distingue trois types de régimes :

• Régime simple : caractérisé par une seule alternance annuelle de hautes et de basses eaux (un maximum et un minimum mensuels au cours de l'année hydrologique) et, en général, par un seul mode d'alimentation

• Régime mixte : 2 maxima et 2 minima, par an, correspondant à plusieurs modes d'alimentation.

• Régime complexe : plusieurs extrema et modes d'alimentation.

Cette classification peut être éventuellement rectifiée en fonction des causes hydrologiques provoquant les hautes eaux ; c'est le cas pour les phénomènes d'embâcle et de débâcle. L'embâcle désigne une accumulation, due à un obstacle (présence d'un pont, d'un barrage, d'un rétrécissement, d'un coude, etc.), de glaçons ou de bois dans un cours d'eau qui crée un barrage. Lorsque ce barrage cède pour différentes raisons c'est la débâcle. Lorsqu'il s'agit d'un démantèlement de couche de glace sur les cours d'eau, cela traduit l'effet du dégel. La débâcle produit alors un charriage de glaçons de tailles plus ou moins grosses, pouvant à leur tour occasionner, lorsqu'ils sont arrêtés par un autre accident hydrographique ou autres, des barrages provisoires (embâcle) qui provoquent souvent des inondations.

Par ailleurs, la géologie peut modifier sensiblement les écoulements et par delà le régime d'alimentation des cours d'eau. Ceci est particulièrement vrai dans les régions karstiques (ex. dans le Jura).

Régimes simples

caractérisés par un seul maximum et un seul minimum annuel du coefficient mensuel des débits et traduit la prépondérance d'un seul mode d'alimentation (régime glaciaire, nival ou pluvial). Ce caractère peut cependant cacher la combinaison de plusieurs influences et confère ainsi aux régimes des rivières concernées une simplicité apparente.

Régime glaciaire

Ce régime est régulier car lié aux saisons, mais il se détériore au fur et à mesure qu’on descend dans les vallées.

La crue ne correspond pas avec la période des fortes précipitations, celles-ci étant stockées sous forme de neiges ou de glaces dans les zones montagneuses (c’est la rétention nivale). La crue correspond à la période de réchauffement et de fonte des neiges.

Ex : L’Arve

Le régime glaciaire se retrouve en général quand 15 à 20% du bassin est occupé par des glaciers. Sous nos climats, le régime glaciaire se caractérise

entre autres par :

• Ecoulement assez important (pour les régimes rencontrés en Suisse quelques dizaines l/s/km2 ).

• Débits très importants en été, par suite de la fonte de la glace ; en Suisse, le maximum annuel unique et très accentué se place en juillet-août.

• Débits très faibles en fin d'automne, hiver, début du printemps (quelques l/s/km2).

• Amplitude des variations mensuelles des débits très grande (rapport entre les coefficients mensuels extrêmes), due au rapport crue/étiage très élevé.

• Oscillations du débit entre le jour et la nuit en saison chaude (2 à 3 fois plus important le jour que la nuit)

• Grande régularité d'une année à l'autre du régime car la température est de tous les paramètres météorologiques le moins irrégulier.

Suivant l'altitude moyenne des bassins versants, ces caractéristiques seront plus ou moins prononcées. Par exemple l'amplitude des variations mensuelles de débits est supérieure à 25 pour les bassins versants de haute altitude (altitude moyenne supérieure à 2500 mètres),et varie de 12 à 35 pour les bassins de 2300 à 2600 mètres d'altitude moyenne.. Le Rhône en amont du lac Léman est caractérisé par un régime de type glaciaire.

Régime nival

Le régime nival pur présente sous une forme atténuée certaines des caractéristiques du régime glaciaire. Le maximum a lieu cependant plus tôt (juin). Il se subdivise en régime nival de montagne et nival de plaine.

Le régime nival de montagne, se retrouve dans les zones montagneuses où la majorité des précipitations arrive sous forme de neige. Il est caractérisé par :

• une fonte progressive de la neige, qui commence d'abord aux altitudes les plus basses et provoque une crue en mai-juin (pour l'hémisphère Nord)

• des basses eaux en été (températures élevées et forte ET0).

La rivière Fraser à Hope aux Canada est caractérisée par ce régime.

Le régime nival de plaine intéresse les régions continentales et maritimes à faible altitude du nord de l'Europe. Ses caractéristiques sont les suivantes :

• Crue violente et brève de printemps (en avril-mai) à la suite de la fusion massive au printemps des neiges hivernales ; pour une même latitude, la crue en plaine arrive cependant plus tôt que celle de montagne.

• Grande variabilité journalière.

• Très grande variabilité au cours de l'année, due à des basses eaux d'été très marquées (températures élevées et forte ET0)

• Grande variabilité interannuelle (les quantités de neige reçues peuvent varier fortement d'une année à une autre)

• Ecoulement important.

Les fleuves sibériens, comme la Lena ont un régime nival de plaine.

On peut aussi distinguer le régime nival de transition que l'on rencontre sur les bassins versants d'altitude moyenne comprise entre 1200 et 1600 mètres. Il se rapproche davantage d'un type complexe dans ce sens qu'il présente quatre saisons hydrologiques. Ses caractéristiques sont les suivantes :

• Courbe des coefficients mensuels des débits montrant deux maxima (fort en mai-juin, et plus modéré en novembre-décembre) et deux minima.

• Coefficient minimum, en janvier, de l'ordre de 0,2 à 0,5.

• Après un étiage relatif en octobre, on observe en novembre, une légère hausse due à la pluie, induisant un maximum secondaire de coefficient inférieur à 1.

 Régime nival de montagne

Ex : La Romanche

 Régime nival de plaine

Ex : La Volga

Régime pluvial océanique

Ce régime est présent dans tous les pays tempérés sans montagne (hémisphère Nord).

Les précipitations sont maximales en hiver, au moment ou la végétation est au repos. Il n’y a donc pas d’évaporation, les nappes se remplissent et on a une augmentation du ruissellement. Les basses eaux ont lieu en été, et sont dues à la rareté des précipitations et à la forte évapotranspiration. Les débits sont donc faibles et les nappes peu remplies.

Le rythme de l’écoulement est déterminé par les précipitations et le rythme d’évapotranspiration, ce qui cause une irrégularité interannuelle, liée à l’irrégularité du climat. Par exemple, on a quelques fois des hivers très froids, ce qui cause le gel et donc l’immobilité de l’eau. On a donc une irrégularité.

Bien que le régime pluvial appartienne aux régimes simples, il présente des caractéristiques différentes de celles des régimes précédents. Il se distingue par :

• Des Hautes eaux (avec un maximum plus ou moins marqué) en hiver et des basses eaux en été. Bien qu'il soit fréquent que les pluies de la saison de basses eaux soient égales ou supérieures à celles de la saison des hautes eaux, les températures étant élevées, l'évaporation est importante).

• Une certaine irrégularité interannuelle ; l'époque du maximum de hautes eaux se déplace sensiblement d'une année à l'autre suivant le " caprice " des pluies.

• Ecoulement généralement assez faible (exemple la. Seine : 6 l/s/km2).

C'est le régime des cours d'eau de faible à moyenne altitude (500 - 1000 mètres). Il se retrouve dans les régions tempérées sans neige.

Régime pluvial tropical

On a des hivers et des étés très bien marqués.

Ce régime est bipolarisé, ce qui est lié à l’opposition forte entre la saison des pluies et la saison sèche (froide). Les précipitations ont lieu en période de chaleur.

Le régime pluvial tropical type est la mousson.

Les minima de l’hiver astronomique sont très bas et réguliers.

Plus on s’approche de l’équateur, plus les précipitations sont tardives et s’approchent de l’automne astronomique.

On distingue le régime pluvial tropical dont l'allure des courbes de variation de Cm ressemble au régime glaciaire. Il présente les caractéristiques suivantes :

• Sécheresse de la saison froide et abondance des pluies de la saison chaude (de juin à septembre) ; le maximum se place en fin d'été.

• Une grande variabilité des débits au cours de l'année avec des minima pouvant atteindre des valeurs très faibles. Par exemple à Koulikoro (fleuve Niger), le débit instantané peut excéder 8000 m3/s en septembre mais rester inférieur à 100 m3/s à la fin du printemps (voir aussi Fig. 9.1).

• Une relative régularité d'une année à l'autre ; on observe cependant des années marquées par un net déficit des pluies (cas des années 1971 et 1973) en région subsaharienne.

Le fleuve Sénégal et le Niger amont sont des rivières caractéristiques du régime tropical.

Régime mixte

Il se caractérise par deux maxima et deux minima des coefficients mensuels au cours de l'année hydrologique. Suivant les modes d'alimentation principaux on

distingue le régime nivo-glaciaire, glacio-nival, nivo-pluvial, pluvio-nival.

Il présente les traits suivants :

• Un seul vrai maximum annuel assez précoce (en mai-juin-juillet), correspondant à la fonte nivale suivie de la fonte glaciaire.

• Variations diurnes relativement élevées pendant la saison chaude.

• Grandes variations d'une année à l'autre, mais cependant moindres que pour le régime nival.

• Ecoulement important.

Le régime nivo-pluvial

Il se caractérise par :

• Deux maxima nets, l'un assez prononcé vers avril-mai à la fonte des neiges, et l'autre en automne (vers novembre) plus modéré. Ce second maximum, dépendant des pluies tombées en automne, peut être faible (de coefficient inférieur à 1).

• Un étiage principal en octobre et un étiage secondaire en janvier, tous deux de l'ordre de 0,6 à 0,8.

• L'amplitude (rapport entre les coefficients mensuels extrêmes) est comprise entre 2 et 5.

• Variations d'une année à l'autre pouvant être importantes.

Le haut-Mississippi (avant sa confluence avec le Missouri) présente ce maximum de printemps correspondant à la fonte des neiges (Fig. 9.1). En Suisse, l'Emme à Emmenmat est un exemple typique de ce régime. Selon l'Atlas hydrologiques de la suisse, on classe ce régime suivant l'altitude moyenne, en nivo-pluvial supérieur (altitude moyenne entre 1000 et 1200 mètres, Préalpes suisses) et nivo-pluvial inférieur (altitude moyenne entre 750 et 1000 mètres, Jura).

régime pluvio-nival

La tendance pluviale est d'autant plus marquée que le bassin se situe à basse altitude (650 à 750 mètres). Le régime pluvio-nival est caractérisé par :

• Deux maximums nets, mais c'est généralement le maximum pluvial en automne-hiver qui domine. La fonte des neiges ne fait que prolonger la crue hivernale en lui donnant un sursaut au printemps.

• Irrégularité d'une année à l'autre importante.

• Une amplitude plus ou moins faible.

La rivière Po en Italie présentent un régime pluvio-nival . En Suisse, l'Orbe à Orbe est caractérisé par un régime de ce type même si le maximum pluvial est du même ordre de grandeur que le maximum hivernal .

Régimes complexes

Les régimes complexes originels sont liés aux différents modes d’alimentation de la rivière pendant l’année, à la climatologie, aux caractéristiques des bassins versants.

Le régime complexe est généralement rencontré sur les grands fleuves, dont les affluents, d'amont en aval, influencent de façon très diverse l'écoulement général. Le régime des grands fleuves se présente comme une synthèse de ceux de leurs sous-bassins constitutifs, le plus souvent très variés du point de vue altitude, climat, etc. Habituellement, ces influences diverses tendent à atténuer les débits extrêmes et à accroître la régularité annuelle des débits moyens mensuels, de l'amont vers l'aval ( le Rhin à Rees et le Rhône à l'aval du lac Léman à Chancy).

Régimes complexes changeants

 Cours d’eau alimentés par la fusion et par un seul, mode d’écoulement fluvial : Pô, Rhin, Garonne, Missouri, Arve, Inn…

 Cours d’eau alimentés par la fusion et par plusieurs modes d’écoulement pluvial : Rhône, Danube, Mississipi…

 Fleuves correspondant ou non à deux ou plusieurs climats dont les zones se juxtaposent ou empiètent l’une sur l’autre : Nil, Congo, Amazone, Niger…

Régimes pondérés

Le régime pondéré est caractérisé par une faible variation des débits moyens mensuels au cours de l'année.

13.3 L’étiage

L’étiage est le niveau moyen le plus bas d’un cours d’eau, associé aux faibles débits. Il se manifeste par un lit mineur à sec ou parcouru par un mince filet d'eau serpentant entre des bancs de graviers et de sable.

13.4 Les crues

La crue correspond à une montée des eaux en réponse à un accroissement rapide du débit d’un cours d’eau. La crue est provoquée par un apport massif d’eau sous l’effet de fortes pluies, déclenchant le ruissellement, ou de la fonte des neiges, ou de débâcles ; elle se propage d’amont en aval, et peut provoquer l’inondation des berges. Par extension, une crue glaciaire désigne l’avancée rapide d’une langue de glace.

Origine des crues

 Embâcle – débâcle des glaces

L’embâcle se caractérise par l’obstruction d’un cours d’eau par des glaces flottantes, en général en hiver, voire, par extension, par d’autres objets flottants (arbres…). Il provoque donc, en amont, des inondations. Lors du dégel, l’inverse se produit : c’est la débâcle, ce qui engendre crue et inondation en aval.

 Fontes de neige synchrone sur de vastes surfaces

 Grandes averses

- Averses extensives : Faible intensité mais sur une grande surface et dure longtemps. Il y a donc beaucoup d’eau, et les sols saturent.

- Averses intensives : Elles sont abondantes et de courte durée (type orage méditerranéen)

Au niveau du globe, les crues sont principalement dues à des précipitations fortes.

TORRENTS 

1 Définition

Le vocabulaire courant utilise le terme torrent pour désigner des cours d’eau rapides en pays montagneux.

Au sens strict, le torrent est un cours d’eau temporaire dont l’étude a permis d’établir vers 1830 les lois de l’érosion.

2. Différentes parties d’un torrent.

 

Le bassin de réception : sorte de cirque où se rassemblent les eaux de ruissellement. Il est modelé par le ravinement et les éboulement, l’érosion y est prédominante.

Le chenal d’écoulement : étroit, en V aigu, rectiligne à forte pente et le plus souvent sans affluent. Il y a encore érosion, mais surtout transport.

le cône de déjection : il se trouve en aval ; c'est le lieu essentiel de dépôts des matériaux enlevés, c'est à dire de sédimentation. Au plus fort de son action, le torrent transporte boues et pierres jusque dans la vallée. Ainsi, le cône de déjection s'agrandit et repousse le lit de la rivière, dans laquelle le torrent aboutit, contre le versant opposé.

3. Torrent et lois de l’érosion

 

Il s’agit en fait des modalités d’action des torrents, le terme « loi » étant ici abusif.

- Le creusement se fait en remontant à partir d’un point fixe ou niveau de base : érosion régressive

- Le profil longitudinal tend vers une courbe d’équilibre concave (profil d’équilibre) tangente vers le bas au plan horizontal (niveau de base). Lorsque le profil d'équilibre est réalisé, l’érosion cesse.

- L’érosion régressive est d’autant plus rapide que la pente initiale est plus forte et que le débit est très abondant (c’est la formule ½ mv2 qui permet de montrer que la vitesse et par conséquence la pente est le facteur prépondérant).

- L’érosion n’est pas forcément limitée par les conditions topographiques initiales mais la crête originelle peut reculer. Cette loi permet de comprendre que les torrents qui coulent sur le versant proche de la mer risquent de capturer ceux qui coulent vers le versant éloigné. C’est le cas pour les serres cévenoles qui capturent les hauts affluents de la Loire ou de l’Allier en France.

COM_ProfilEquilibre_cle8b251a.pdf

13.6  Les cours d'eau permanents

1. Bassin hydrographique

"Bassin hydrographique" : toute zone dans laquelle toutes les eaux de ruissellement convergent à travers un réseau de rivières, de fleuves et éventuellement de lacs vers la mer, dans laquelle elles se déversent par une seule embouchure, estuaire ou delta.

Les cours d’eau permanents forment un réseau hiérarchisé ( ru, ruisselet, ruisseau, rivière …), ou bassin, de rivières convergeant vers un fleuve qui se dirige vers la mer ( exoréisme ) , mais peuvent aboutir à des lacs ou des lagunes dans des dépressions fermées ( endoréisme).

Lorsqu’une région est dépourvue de bassin hydrographique organisé, elle est dite aréique.

Ex : bassin de l’Amazone :

- Six millions de kilomètres carré, les ¾ de la superficie des Etats-Unis .

- Débit moyen de 200.000 m3/sec.

- Conduit à la mer 15% des eaux fluviatiles du monde.

Le plan d’un réseau hydrographique dépend des roches sur lesquelles il est installé.

Si ce substratum est homogène, l’emplacement des cours d’eau résulte de causes fortuites ; mais dans la nature, les grandes surfaces homogènes sont rares (failles, zones de joints).

Sur un substratum hétérogène plissé, les cours d’eau peuvent suivre la surface des couches perpendiculairement à un rivage (cours conséquents), les recouper sur leur tranche (cours obséquents) ou encore les longer, c’est-à-dire couler parallèlement à eux et dans la même direction (cours subséquents).

 

Il existe différents types de drainage au sein des réseaux hydrographiques :

 Le drainage exoréique (pays humides) est un écoulement linéaire qui aboutit à l’océan sous forme de delta ou d’estuaire. Si la pérennité des écoulements est assurée par les sources, les cours d’eau sont dits « permanent exoréiques ».

 Le drainage endoréique (pays semi-arides) correspond à des écoulements temporaires et limités. Les eaux n’atteignent pas la mer, notamment à cause de l’évaporation et de l’infiltration. C’est un drainage intérieur dans des bassins fermés. Il représente un quart des terres émergées.

 L’aréisme (régions arides et hyper-arides) désigne les écoulements occasionnels, comme les ouadi ou les torrents. Il n’y a pas de drainage. Ces écoulements occupent un sixième des continents.

 L’endoréisme humide représente un écoulement en direction de régions où les eaux s’évaporent. On le trouve dans la Pampa argentine, en Russie méridionale et dans les landes de Gascogne (en France).

2. Estuaires et deltas

L'embouchure d'un cours d'eau dans la mer représente un domaine intermédiaire où s'affrontent les influences marines et fluviatiles. Le fleuve apporte des matériaux qui s'accumulent et gagnent sur la mer; la mer déblaie et remanie les matériaux apportés. Le résultat dépend du rapport de force existant entre le fleuve et la mer. Lorsque le fleuve a une influence dominante, il construit un delta; lorsque la mer est dominante, l'embouchure est un estuaire. Il existe en fait des intermédiaires entre ces deux types.

LES ESTUAIRES

L'embouchure est un estuaire quand le fleuve apporte peu de matériaux grossiers, surtout des suspensions fines et des matières en solution, et quand l'hydrodynamisme marin est fort: fortes marées, forte houle, courants littoraux. Ces conditions sont réalisées sur les côtes françaises de la Manche et de l'Atlantique: estuaire de la Seine, de la Loire.

La circulation de l'eau salée et de l'eau douce suit un trajet complexe qui dépend du cycle des marées. La marée montante refoule l'eau douce en amont sur une distance qui peut être importante (100 Km dans l'Hudson sur la côte est des Etats Unis): c'est le mascaret. La vitesse du courant fluviatile diminue et les matériaux en suspension se sédimentent; les argiles s'agglomèrent en flocons (floculation) sous l'action des ions de l'eau de mer et forment un "bouchon vaseux". Le sédiment caractéristique est la vase. La vase est formée de particules fines de la classe des lutites (limons, argiles), de sulfures et d'hydroxydes de fer et de colloïdes organiques. Comme dans les vasières littorales, qui sont souvent des dépendances d'estuaires, la marée délimite la schorre, zone supratidale couverte de végétation, et la slikke, vase non fixée de la zone intertidale. Dans les régions équatoriales, les estuaires sont colonisés par la mangrove.

Dans le chenal fluviatile peuvent se déposer des barres sableuses; quand celles-ci deviennent importantes au point de prograder vers la mer, l'estuaire se transforme en delta. C'est le cas actuel de la Gironde.

LES DELTAS

 

 

Morphologie d'un delta

• La plaine deltaique est le prolongement de la plaine alluviale. Elle est parcourue par un réseau de chenaux ramifiés, les distributaires. Entre les chenaux s'étendent des zones marécageuses et garnies de végétation sous climat humide.

* Le front du delta est le prolongement de la plaine deltaïque sous la mer.

* Le prodelta est la partie la plus externe et la plus profonde du delta; il repose sur les sédiments marins de la plate-forme littorale.

  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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Date de dernière mise à jour : 05/10/2012