I - INTRODUCTION A
L'HYDROLOGIE DE SURFACE II - LE CYCLE DE L'EAU --------------...
نمذجة تدفق المياه السطحية للتنبؤ بحدوث سيول مدمرة
-----------------------------------------------
III - LE BASSIN VERSANT
En tout point d'un cours
d'eau, nous serons amenés à définir son bassin versant et à caractériser son
comportement hydrologique
III.1 - Notion de "Bassin Versant"
Le bassin versant en une section d'un cours d'eau est défini
comme la surface drainée par ce cours d'eau et ses affluents en amont de la
section. Tout écoulement prenant naissance à l'intérieur de cette surface doit
donc traverser la section considérée, appelée exutoire, pour poursuivre son
trajet vers l'aval.
Selon la nature des terrains,
nous serons amenés à considérer deux définitions.
III.1.1 - Bassin versant topographique
Si le sous-sol est
imperméable, le cheminement de l'eau ne sera déterminé que par la topographie.
Le bassin versant sera alors limité par des lignes de crêtes et des lignes de
plus grande pente comme le montre la figure ci-jointe.
Dans le cas d'une région au
sous-sol perméable, il se peut qu'une partie des eaux tombées à l'intérieur du
bassin topographique s'infiltre puis sorte souterrainement du bassin (ou qu'à
l'inverse des eaux entrent souterrainement dans le bassin).
Dans ce cas, nous serons
amenés à ajouter aux considérations topographiques des considérations d'ordre
géologique pour déterminer les limites du bassin
versant. Cette distinction entre bassin
topographique et hydrogéologique se justifie surtout pour les petits bassins.
En effet, lorsque la taille du bassin augmente, les apports et les pertes
souterraines ont plus de chance de se compenser. De plus, on peut admettre que
le débit des cours d'eau est proportionnel à la surface du bassin, les échanges
souterrains se font, eux, aux frontières et varient donc sensiblement comme le
périmètre. Lorsque la taille du bassin augmente, la surface croît plus vite que
le périmètre et la valeur relative des échanges souterrains par rapport au
débit de surface tend à devenir négligeable.
III.2 - Caractéristiques morphométriques
L'utilisation de
caractéristiques morphométriques a pour but de condenser en un certain nombre
de paramètres chiffrés, la fonction h = f (x,y) à l'intérieur du bassin versant (h altitude, x et y coordonnées d'un point du
bassin versant). Nous utiliserons trois types différents de paramètres
morphométriques.
III.2.1.1 - Surface A
La surface du bassin versant
est la première et la plus importante des caractéristiques. Elle s'obtient par planimétrage
sur une carte topographique après que l'on y ait tracé les limites
topographiques et éventuellement hydrogéologiques. La surface A d'un bassin
s'exprime généralement en km2.
III.2.1.2 – Longueur
On utilise différentes
caractéristiques de longueur ; la première et une des plus utilisées est le
"périmètre P du bassin versant".
Le périmètre est curvimétré
sur carte cartographique mais, selon l'échelle de la carte, les détails sont
plus ou moins nombreux et il en résulte des différences de mesures. Par
ailleurs, on devrait souvent prendre en compte des détails de la frontière qui,
on s'en rend compte intuitivement, n'ont aucune influence sur l'écoulement.
Avant de procéder au curvimétrage, il faut donc procéder à une schématisation
des limites du bassin, soit par des courbes à grand rayon de courbure, soit par
un tracé polygonal.
Dans des cas particuliers tels
que celui d'un bassin replié sur lui-même, on pourra être amené à tracer des
contours fictifs qui tiendront compte de chaque cas particulier.
Le périmètre P n'est
généralement pas utilisé directement mais le plus souvent à travers des valeurs
qui en dérivent, comme la "longueur L du rectangle équivalent". On
définit le rectangle équivalent comme le rectangle de longueur L et de largeur
l qui a même surface et même périmètre que le bassin versant, soit à l'aide de
:
P = 2 . (L + l)
et A = L . l
L'inconvénient de cette
méthode est que l'on peut rencontrer des bassins plus compacts qu'un carré ;
l'équation n'a alors plus de racines réelles !
A la suite de ces remarques
critiques sur l'utilisation du périmètre comme critère de longueur, il a fallu
définir d'autres caractéristiques et en particulier :
- la "longueur du plus long thalweg" (lt). Cette caractéristique n'amène guère de
remarques si ce n'est que dans la plupart des cas, on admet qu'il faut
poursuivre le thalweg indiqué sur les cartes topographiques, vers l'amont
jusqu'à la limite du bassin. De même, si le cours aval présente des méandres,
on curvimètre en général tous les méandres.
- la "distance de l'exutoire au centre de gravité
du bassin" (lg). Ceci paraît être une bonne caractéristique de longueur
mais elle nécessite l'évaluation de la position du centre de gravité du bassin
;
- la "plus grande longueur entre deux points de la
frontière" (L). On utilise cette caractéristique surtout en association
avec la "plus grande largeur" (l) perpendiculaire à la plus grande
longueur. La caractéristique de forme la plus utilisée est le "coefficient
Kc de Gravelius". Il se définit comme le rapport du périmètre du bassin
versant au périmètre du cercle ayant même surface (appelée aussi coefficient de
capacité) :
A : surface et P : périmètre
du bassin versant
On utilise également pour
caractériser la forme d'un bassin, son "rectangle équivalent" (défini
plus haut) et le rapport de la plus grande longueur à la plus grande largeur
perpendiculaire (voir plus haut).
Enfin, une des façons des plus
sophistiquées (mais des plus pénibles) pour caractériser la disposition d'un
bassin dans le plan est d'établir la courbe aire-distance. Cette courbe donne
la surface s en km2 (ou en %) qui se trouve à une distance hydraulique
supérieure à une valeur donnée d. (La distance hydraulique est la distance
parcourue par une particule d'eau qui ruisselle d'un point du bassin jusqu'à
l'exutoire.)
En général, on ne s'intéresse
pas à l'altitude moyenne mais plutôt à la dispersion des altitudes.
L'étude statistique permet de tracer la "courbe
hypsométrique". Cette courbe donne la surface
s (en km2 ou en % de la surface totale) où les
altitudes sont supérieures à une cote h donnée Cette courbe est établie
en planimétrant pour différentes altitudes les surfaces situées au-dessus de la
courbe de niveau correspondante. Cette méthode est précise mais fastidieuse.
Une autre consiste à échantillonner les altitudes selon un maillage carré. On
admet alors que l'altitude au centre d'une maille est égale à l'altitude
moyenne de la maille.
Bien souvent, on définit la
"dénivelée D" comme
étant la différence de cote entre H5 % et H95 % :
D = H5 % - H95 %
Parfois, on schématise la
forme du bassin et la répartition des altitudes sur le rectangle équivalent. On
construit alors une surface ayant même hypsométrie, même périmètre et même
surface que le bassin versant.
L'objet de ces indices est de
caractériser les pentes d'un bassin et de permettre des comparaisons et des
classifications.
L'idée première qui vient à
l'esprit est de caractériser les pentes par leur valeur moyenne I pondérée par
les surfaces.
Soit D l'équidistance des
courbes de niveau, soit dj la largeur moyenne de la bande j comprise entre les
lignes de niveau j et j+1 et soit li la longueur moyenne de cette bande. La pente moyenne nj sur cette bande est :
La surface de la bande j est :
dj . lj = aj
La pente moyenne I pondérée par les surfaces est donc
Si Lc est la longueur
totale des courbes de niveau équidistante de D, la pente moyenne I a pour
expression :
L'estimation de cette expression
simple est cependant laborieuse puisqu'il faut curvimétrer toutes les courbes
de niveau. Ceci explique que cet indice est peu utilisé dans la pratique.
m. roche a proposé un indice
de pente plus facile à calculer que le précédent : Ip est la moyenne de la
racine carrée des pentes mesurées sur le rectangle équivalent, et pondérée par
les surfaces.
La pente moyenne i sur la bande j est :
La surface de cette bande
est : aj = lj xj
d'où l'expression :
En posant bj le pourcentage de la surface totale se
trouvant entre hj+1 et hj :
L'estimation de Ip est plus simple que
celle de I puisque l'on travaille sur le rectangle équivalent. Par ailleurs, la
valeur de I est peu affectée par le choix de D (une dizaine de classes suffit
pour bien estimer Ip).
L'indice de Roche étant
cependant trop long à évaluer pour des études rapides, on a proposé un indice
encore plus simple : la pente globale...
D étant la dénivelée h5 % -
h95 %, définie sur la courbe hypsométrique ou même directement à l’œil sur la
carte topographique ; L étant la longueur du rectangle équivalent.
Cet indice, très facile à
calculer, est des plus utilisés. Il sert de base à une des classifications
O.R.S.T.O.M. pour des bassins versants dont la surface est des l'ordre de 25
km2 :
|
Ig <
0,002
|
Relief très faible
|
R1
|
|
0,002 <
Ig < 0,005
|
Relief faible
|
R2
|
|
0,005 <
Ig < 0,01
|
Relief assez faible
|
R3
|
|
0,01
< Ig < 0,02
|
Relief modéré
|
R4
|
|
0,02
< Ig < 0,05
|
Relief assez fort
|
R5
|
|
0,05 < Ig < 0,1
|
Relief fort
|
R6
|
|
0,1
<Ig
|
Relief très fort
|
R7
|
Par ailleurs, cet indice
simple est étroitement corrélé avec l'indice de pente de Roche
(Ig = 0,8 Ip2), avec un
coefficient de corrélation de l'ordre de 0,99.
L'indice Ig décroît pour un
même bassin lorsque la surface augmente, il était donc difficile de comparer
des bassins de tailles différentes.
La dénivelée spécifique Ds ne présente
pas cet inconvénient : elle dérive de la pente globale Ig en la corrigeant de
l'effet de surface admis étant inversement proportionnel à
La dénivelée spécifique ne
dépend donc que de l'hypsométrie (D = H5% - H95 %) et de la forme du bassin (l/L).
Elle donne lieu à une deuxième classification de l'O.R.S.T.O.M., indépendante
des surfaces des bassins :
|
Ds <
10 m
|
Relief très faible
|
R1
|
|
10 m
< Ds < 25 m
|
Relief faible
|
R2
|
|
25 m
< Ds < 50 m
|
Relief assez faible
|
R3
|
|
50 m
< Ds < 100 m
|
Relief modéré
|
R4
|
|
100 m < Ds < 250 m
|
Relief assez fort
|
R5
|
|
250 m < Ds < 500 m
|
Relief fort
|
R6
|
|
500 m < Ds
|
Relief très fort
|
R7
|
Les Anglo-Saxons utilisent
d'autres indices de pente IAS que nous ne citerons que pour mémoire :
Depuis les années 1990, la
puissance des micros ordinateurs a permis le large développement des Modèles
Numériques de Terrain. Sous ce vocable on confond souvent l’ensemble de programme
permettant de traiter de la topographie d’une zone (le M.N.T. au sens strict)
et les altitudes aux nœuds d’un maillage régulier couvrant la zone d’étude (le
Modèle Numérique d’Altitude M.N.A.). A partir d’un M.N.A., le M.N.T. permets de
calculer automatiquement tous les paramètres classiques tels que pente,
orientation des versants… Il peut également déduire de la topographie et à
partir d’un point exutoire donné, retrouver les contours d’un bassin versant,
le réseau hydrographique etc. La plus grande difficulté consistait à
digitaliser le relief à partir de supports cartographiques. Depuis ces
dernières années ces banques de donnée peuvent être achetées (IGN par exemple),
mais on trouve également sur le WEB une couverture totale du monde gratuite.
III.3 - Caractéristiques du Réseau Hydrographique
Le réseau hydrographique est
constitué de l'ensemble des chenaux qui drainent les eaux de surface vers
l'exutoire du bassin versant. La définition d'un cours d'eau est difficile à
donner avec précision, en particulier pour les cours d'eau temporaires. Selon
le support cartographique utilisé, on étudiera le réseau avec plus ou moins de
détails : en photographie aérienne, on pourra déceler des thalwegs de très
faibles extensions, tandis qu'on ne verra que les cours d'eau pérennes et
importants sur une carte au 1/100 000 ème.
L'étude du chevelu
hydrographique servant surtout à comparer des bassins entre eux, il suffit,
dans la plupart des cas, de se fixer une définition du thalweg élémentaire et
de l'appliquer pour l'étude de tous les bassins (par exemple : thalwegs =
traits bleus temporaires ou pérennes sur carte I.G.N. au 1/50 000 ème).
Le réseau hydrographique peut
se caractériser par trois éléments : sa hiérarchisation, son développement
(nombres et longueurs des cours d'eau) et son profil en long.
Pour chiffrer la ramification
du réseau, chaque cours d'eau reçoit un numéro fonction de son importance.
Cette numérotation, appelée ordre du cours d'eau, diffère selon les auteurs.
Parmi toutes ces classifications, nous adopterons celle de Strahler :
·
tout cours d'eau n'ayant pas d'affluent est dit d'ordre 1 ,
·
au confluent de deux cours d'eau de même ordre n, le cours
d'eau résultant est d'ordre n + 1 ,
·
un cours d'eau recevant un affluent d'ordre inférieur garde
son ordre, ce qui se résume par :
n + n = n + 1 et n + m = max
(n,m)
Comme on le signale plus haut,
la définition d'un thalweg peut changer selon le support utilisé. Des études
effectuées sur des bassins versants en France permettent de définir la
correspondance moyenne entre l'ordre lu sur la carte et l'ordre réel que révèle
la photographie aérienne (selon F. HIRSCH) :
|
Echelle de la
carte
|
Ordre lu sur la
carte
|
Ordre réel
|
|
1/20000
|
1
|
2
|
|
1/50000
|
1
|
3
|
|
1/100000
|
1
|
4
|
|
1/200000
|
1
|
5
|
III.3.2 - Les lois de Horton
Ces "lois"
empiriques relient le nombre, la longueur moyenne et l'ordre des cours d'eau.
On constate que pour un bassin versant homogène, le "rapport de
confluence" Rc, rapport du nombre Ni de cours d'eau d'ordre i au nombre Ni + 1 de cours d'eau d'ordre i + 1, est sensiblement
constant :
Il en est de même du
"rapport des longueurs moyennes" :
(li : longueur moyenne des cours d'eau d'ordre i).
La détermination de Rc et Rl se fait par voie graphique en portant Ni, li et i sur
un graphique semi-logarithmique comme le montre la figure jointe. La pente de
la droite moyenne permet de déterminer la raison de la progression géométrique.
D'autres éléments que Rc et Rl
sont pris pour caractériser le chevelu. Parmi ceux-ci, on peut citer :
III.3.3.1 - La densité de
drainage Dd
Elle se définit par le rapport
de la longueur totale des cours d'eau à la surface du bassin versant :
C'est le rapport du nombre
total de thalwegs d'ordre 1 à la surface du bassin versant :
Déjà citée comme
caractéristique de la forme du bassin, elle tient également compte de la
répartition des thalwegs et peut donc être considérée comme une caractéristique
du réseau hydrographique.
On caractérise par ce terme,
les réseaux hydrographiques qui ne se relient à aucun autre réseau plus
important. Les réseaux endoréiques sont surtout fréquents en zone aride et en
zone karstique. On peut distinguer deux types d'endoréisme :
- un endoréisme total où le
réseau hydrographique converge vers une zone centrale (ou parfois périphérique)
du bassin où apparaît une surface d'eau libre permanente ou non, à partir de
laquelle s'évapore la quasi-totalité des apports ; - un endoréisme du
ruissellement. Dans ce cas, le réseau de drainage aboutit à une zone où l'eau
s'infiltre et poursuit son écoulement vers l'extérieur du bassin par les
nappes.
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طالب باحث بجامعة
السلطان مولاي سليمان كلية الآداب والعلوم الإنسانية شعبة الجغرافيا، من مواليد سنة 1991 من
المواد المفضلة عندي في شعبتي هي المواد الطبيعية ولكن مادة نظم المعلومات
الجغرافية هي الأفضل لأني أرى على أنها المادة التي لا تفرق بين التوجه البشري أو
الطبيعي، بنظم المعلومات الجغرافية فانك تحلل الظواهر البشرية والطبيعية وهكذا
تكون على دراية بكل مواضيع علم المجال
لتعرف عني المزيد
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