SAN-OM-29
Influence des pertes initiales sur la réponse hydrologique
Bilan hydrologique à l’échelle de bassin versant:
Le fonctionnement hydrologique du bassin versant se résume en trois processus ; stockage et déstockage, transfert et changement d’état, ces processus se manifestent d’une façon simpliste dans les phénomènes hydrologiques suivants :
• Précipitation
• Ecoulement
• Infiltration
• Evaporation
Les précipitations :
« Produits, sous forme liquide ou solide, de la condensation de la vapeur d’eau, tombant des nuages ou déposés par l’air humide sur le sol ». Glossaire International d’Hydrologie (1992)
Les précipitations sont le processus le plus important du cycle hydrologique vue leurs simplicité relative de mesure par rapport aux autres processus. Les précipitations se produisent sous différentes formes, qui se distinguent en deux parties essentielles. Les précipitations liquides constituent essentiellement de pluies et de bruines qui s’intègrent immédiatement dans le cycle hydrologique, et les précipitations solides neige et grêle, qui séjournent un temps plus ou moins long pour joindre le cycle d’eau sous forme liquide (LABORDE.2000).
Formation et typologie:
Le déclenchement des précipitations est dû à la condensation de la vapeur d’eau atmosphérique en forme de gouttelettes autours des particules microscopiques suspendues dans l’atmosphère. Ces fines gouttelettes d’eau qui se condensent sur les particules de poussière pour créer un nuage montent vers des couches d’air plus froides. Plus les gouttelettes grossissent et se rapprochent les unes des autres, elles ne peuvent plus flotter et elles commencent à descendre lentement, de l’intérieur du nuage vers sa base. Lorsque la taille de la gouttelette de bruine dépasse un certain seuil elle se met à tomber plus vite. Selon leurs mécanismes d’ascendance les précipitations peuvent se classer en trois types :
a. Précipitations de type frontale ou cyclonique : Ce type de précipitation est lié à la confrontation de deux masses d’air formant des fronts, l’air froid plus dense se glisse sous l’air chaud qu’il l’oblige à se soulever et se refroidir. Les précipitations seront d’autant plus abondantes que l’ascendance est rapide et la masse d’air chaude plus humide ;
b. Précipitations orographiques : Du mot grec oro qui signifie montagne. Ces précipitations résultent de la présence d’un obstacle topographique sur le trajet des masses d’air provoquant ainsi leur ascendance. Ce type de précipitation est caractérisé par une variabilité spatiale remarquable entre le versant au vent et le versant sous le vent ce qui est connus en hydrologie par l’effet d’abri où l’effet Fohen ( Fig 2.1).
c. Précipitations convectives : les masses d’air en contact avec la surface de sol réchauffée deviennent instables ce que provoque leur ascendance ce type de précipitation est caractérisé par son intensité et brièveté.
Variation spatio-temporelle des précipitations :
A l’échelle locale, régionale ou du globe, les précipitations se répartissent inégalement dans l’espace comme dans le temps. A l’échelle mondiale cette variation caractérise les différents régimes pluviométriques qui divisent le monde en plusieurs zones dont les moyennes annuels de la lame d’eau précipitée appartiennent à une même tranche. (Tableau 2.1).
A l’échelle régionale un même pays peut connaître une variation spatiale de la pluviométrie liée essentiellement aux conditions de relief et aux variations de la circulation atmosphérique.
Même dans le cas de petits bassins versants la distribution de l’intensité des précipitations est très variable, cette variabilité infecte visiblement la cohérence des modèles hydrologiques.
L’Evaporation et l’évapotranspiration:
Une fraction considérable de l’eau précipitée retourne vers l’atmosphère (jusqu’à 75% en Afrique) (MUSY et HIGY 2004). Ce retour peut se faire soit directement à partir de surface d’eau libre (lac, cours d’eau ….) soit à partir de sol couvert ou nu. On parle dans le premier cas d’évaporation, tandis qu’en deuxième cas on utilise le terme évapotranspiration qui prend en compte la combinaison de l’évaporation directe à partir de sol, et la transpiration végétal.
Processus d’évaporation :
Le processus de l’évaporation et le passage de l’eau de l’état liquide à l’état gazeux, le moteur de cette transformation est l’énergie solaire soit directement par le rayonnement solaire soit par l’atmosphère, cette énergie fragilise les liens entre molécules provoquant l’échappement vers la couche d’air sus-jacente, outre la température la pression joue un rôle sur le seuil de saturation de l’air en humidité (la capacité de l’air à contenir de la vapeur) et par conséquent sur l’évaporation.
Modélisation hydrologique et hydraulique :
Modélisation hydrologique:
La modélisation hydrologique est la représentation simplifiée partielle ou totale du cycle hydrologique. Le modélisateur introduit généralement les facteurs qui lui semblent pertinents pour minimiser l’inexactitude liée aux hypothèses simplificatrices de la modélisation.
Tout travail de modélisation doit passer par les éléments suivants : • Délimitation spatiale et temporelle du système, le plus souvent est le bassin versant. • Définir l’objectif de modélisation, on s’intéresse dans cette étude à la fonction de transformation pluie-débit. • La formulation la plus satisfaisante de la réalité relativement aux objectifs fixés.
Objectifs de la modélisation pluie – débit :
La modélisation de la transformation pluie – débit intègre dans son contexte les différents éléments du cycle hydrologique. Certains types de modèles nécessitent le passage par la modélisation de chaque élément avant de construire le modèle finale pluie – débit. L’unité de l’étude est généralement le bassin versant limité topographiquement, sauf dans le cas où des formations géologiques drainent des surfaces situées hors limites topographiques du bassin. La modélisation pluie débit peut donner la réponse aux nombreuses questions, relatives à l’eau, axée sur la gestion des ressources et de risque. Parmi ces questions on note (GRESILLON 2000) : – La reconstitution des séries de débit par le comblement des lacunes dans les séries historiques afin de permettre les traitement statistiques utilisées notamment dans les études de faisabilité des ouvrages et de détermination des valeurs de projet. – Prévision des fréquences avec lesquelles les débits extrêmes (crue et étiage) peuvent se produire. – Prédétermination de la réponse hydrologique d’un bassin versant avec un pas de temps fin, afin de permettre l’élaboration d’un système de prévention et d’alarme. – L’étude de l’impact des différents aménagements sur la réponse hydrologique.
Typologie de modèles hydrologique:
L’ambiguïté des interactions entre les différents éléments du bilan hydrologique et la complexité des systèmes étudiés ont permet l’émergence d’un nombre indénombrable de modèles « il y a presque d’autant de modèles que d’hydrologues » , « on trouve pas dans la littérature des catégories de modèles nettement distinct » (AMBROISE 1998). Les modèles pluie-débit peuvent se classer selon la description de processus ce que conduit à différents niveaux de classification :
Selon le degré d’abstraction:
Modèles physiques : Ils représentent le système à une échelle réduite. Ce type de modèles est très coûteux est l’imitation du phénomène physique est loin d’être réelle. Modèles mathématiques : Ils décrivent le processus hydrologique à l’aide des équations mathématiques qui relient les variables d’entrée et de sortie.
Selon la nature des variables:
Modèles déterministe : Dans lesquels la relation entre variables d’entrée et de sortie et phénoménologique et ne considère pas le caractère aléatoire de variable, la même entrée produit toujours la même sortie. Modèles stochastiques : (probabilistes), le terme stochastique est lié à la statistique et traduit le caractère aléatoire du modèle.
Selon la discrétisation spatiale:
Modèles Globaux : le bassin versant est considéré comme entité homogène. On utilise dans ce type des modèles de valeurs représentatives moyennes. Modèles Spatialisés (distribués) : Ils tiennent en compte la variabilité spatiale de processus et de variables d’entrée, ils sont plus avantageux que les modèles globaux. Dans le cas ou les composants du système ne sont pas complètement spatialisés, on parle de modèles semi spatialisés.
Selon la description des sous processus:
Le processus hydrologique de transformation pluie-débit est composé d’autres sousprocessus : précipitations, interception, infiltration…etc. Les modèles hydrologiques peuvent se classer selon la manière de décrire ces sous processus :
Modèles conceptuels : le fonctionnement du système est représenté par analogie aux réservoirs interconnectés, dont leurs interactions sont simulées par des relations empiriques. Modèles empiriques : Ils sont utilisés pour reproduire le comportement globale du système sans décrire les processus élémentaires. Ils sont généralement de type boite noire sous la forme débit = f (pluie) où f est déterminée par régression effectuée sur les chroniques pluiesdébits (AMBROISE 1991).
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Table des matières
Liste des figures
Liste de tableaux
Résumés
Introduction générale
Chapitre I. Gestion de risque d’inondations
1. Risque d’inondation
2. L’aléa
3. la vulnérabilité
4. gestion de risque
4.1. La prévision
4.2. La prévention
4.3. Annonce et alerte
4.4. Gestion de crise.
4.5. Analyse post crise
5. Gestion de l’aléa
5.1. Prévision de crue
5.1.1. Méthodes de Maxima annuels
5.1.2. Méthode de renouvellement
5.1.3. Les méthodes hydrométéorologiques
5.1.4. Les méthodes stochastiques
5.1.5. Relation pluies débits
5.2. Choix entre modèles
5.3. Notion de crue de projet
5.4. Mesures pour réduire de l’aléa
5.4.1. Aménagements en versant avant le lit du cours d’eau
5.4.2. Changement d’occupation de sol
5.4.2.1. Banquettes
5.4.2.2. Le reboisement
5.4.2. Aménagement en lit mineur
5.4.2.1. Correction torrentiel
5.4.2.2. Barrage écrêteur
5.4.2.3. Création des zones d’expansion de crue
5.4.2.4. Ouvrages de stockage en dérivation
5.4.2.5. Digues de protection contre les inondations
5.5. Mesures pour réduire la vulnérabilité
5.5.1. Délimitation des zones à risque
5.5.2. Détermination des enjeux
Chapitre II. Bilan hydrologique et genèse de crues
1. Les précipitations
1.1. Formation et typologie
1.2. Variation spatio-temporelle des précipitations
2. L’interception 33 2.1. Facteurs influençant l’interception
2.1.1. Structure de l’averse
2.1.2. Morphologie de végétation
2.1.3. Densité de peuplement
2.1.4. L’âge de peuplement
2.2. L’interception et le bilan hydrologique
3. L’Evaporation et l’évapotranspiration
3.1. Processus d’évaporation :
3.2. L’évaporation à partir d’une nappe d’eau libre :
3.2.1. Facteurs météorologiques
3.2.2. Facteurs liés aux caractéristiques physico-chimiques de l’eau
3.3. Evaporation à partir d’un sol nu
3.3.1. Teneur en eau
3.3.2. La profondeur de la nappe d’eau
3.3.3. Texture de sol et capillarité
3.3.4. L’Albédo
3.4. L’évaporation à partir d’un sol couvert de végétation
3.4.1. Mécanisme de la transpiration végétale
3.4.2. Evapotranspiration potentielle
3.4.3. Facteurs déterminant l’évapotranspiration
3.4.3.1. Facteurs météorologiques
3.4.3.2. Facteurs liés à la végétation
3.4.3.3. Facteurs liés aux caractéristiques de sol
4. Infiltration
4.1. Infiltrabilité
4.2.1. La percolation
4.2.2. Facteurs influençant l’infiltration
5. Ecoulement
5.1. L’écoulement de surface ou ruissellement
5.1.1. Ecoulement Hortonien
5.1.2. Ecoulement sur surface saturée
5.2. L’écoulement hypodermique
5.2.1. Écoulement par macroporosité
5.2.2. Intumescence de la nappe
5.2.3. Ecoulement de retour
5.2.4. Effet Piston
6. Genèse des crues et réponse hydrologique
6.1. Processus de la genèse de crue
6.1.1 Théorème de Horton
6.1.2. Théorème des aires contributives
6.2. Les facteurs influençant la réponse hydrologique
6.2.1. Facteurs intrinsèques
6.2.2. Facteurs extrinsèques
6.3. Schématisation de la réponse hydrologique
Conclusion
Chapitre III. Modélisation hydrologique et hydraulique
1. Modélisation hydrologique
1.1. Objectifs de la modélisation pluie – débit :
1.2. Typologie de modèles hydrologique
1.2.1. Selon le degré d’abstraction
1.2.2. Selon la nature des variables
1.2.3. Selon la discrétisation spatiale
1.2.4. Selon la description des sous processus
1.3 Calage de Modèle hydrologique
1.4. Méthodes de calage des modèles pluies-débits
1.4.1. Calage manuel
1.4.2. Calage automatique
1.4.3. Calage mixte
1.5. Modélisation des aménagements anthropiques
2. Modélisation hydraulique
2.1. Typologie des modèles
2.1.1 Modèles monodimensionnels (filaires)
2.2.2. Les modèles 1D à casiers
2.2.3 Modèles bidimensionnels (2D)
2.3. Comparaison entre les modèles 1D et 2D
2.4. Présentation de modélisation monodimensionnelle
2.4.1. Contraintes et hypothèses de base
2.4.2. Données nécessaires à la modélisation
2.4.2.1. Géométrie de cours d’eau :
2.4.2.2 Conditions aux limites
2.4.2.3. Rugosité de lit
2.4.3. Pertes de charge singulières
Chapitre IV. Cadre de l’étude Introduction
1. Contexte géographique
2. Contexte topographique
3. Contexte géologique et stratigraphique
3.1. Schéma géologique
3.2. Stratigraphie
4. Contexte climatique
4.1.Température
4.2 Pluviométrie
5. Contexte hydrogéologique
6. Bilan de ressources en eau
6.1. Bilan des eaux potables
6.2. Bilan d’assainissements
7. Historique d’aménagement dans le périmètre de Ghazaouet
7.1. Travaux réalisés depuis la création de périmètre
8. Caractéristique morphométriques et hydrographiques
8.1. Forme
8.2 Altitudes
8.3. Réseau hydrographique
Chapitre V Méthodologie, modélisation et gestion de risque
1. Objectifs et méthodologie
2. Choix de modèle
3. Présentation de HEC-HMS
3.1. Interface de logiciel
3.2 Processus de simulation avec HEC-HMS
3.3 Les données nécessaires pour la simulation avec HEC-HMS
3.4 Modélisation de l’EvapoTranspiration (ETP)
3.5 Représentation de processus d’écoulement
3.6 Bases théoriques de HEC HMS
3.6.1 Modélisation des pertes
3.6.1.1 Le modèle de pertes initiales et à taux constant
3.6.1.2 Modèle de déficit et à taux de perte constant
3.6.1.4 Le modèle Green & Ampt
3.6.1.5 Le modèle continue SMA
3.6.1.6 Choix et applicabilité
3.6.2 Modélisation du fonction production
3.6.2.1 Modèle de l’hydrogramme unitaire
3.6.2.2 Modèle de l’onde Cinématique
3.6.3 Modélisation des écoulements à surface libre avec HEC-HMS
3.6.3.1 Modèle de Puls modifié (Modified puls)
3.6.3.2 Modèle de Muskingum
3.6.3.3 Le modèle du décalage (lag model)
3.6.3.4 Le modèle de l’onde cinématique
3.6.3.5 Le modèle Muskingum-Cunge
3.7 Exécution de la simulation
4 .Simulation des hydrogrammes de crue
4.1 Analyse fréquentiel de séries pluviométriques
4.2 Calage des Modèles
4.3 Résultats issus de la simulation
4.4 Sensibilité des modèles
4.4.1 Influence des pertes initiales sur la réponse hydrologique :
4.4.2 Influence de l’infiltration
5. Modélisation et cartographie de l’Aléa
5.1. Modèle HEC-RAS
5.1.1. Bases théorique de logiciel HEC-RAS
5.1.2. L’Environnement HEC-RAS
5.1.3. Etapes de simulation par HEC-RAS
5.1.3.1. Création d’un nouveau projet
5.1.3.2. Création de la géométrie de cours d’eau
5.1.3.3. Données hydrométriques
5.1.3.4. Les conditions aux limites
5.1.3.5. La simulation
5.1.4. Programme auxiliaires de la famille HEC.
5.1.5 Contraintes d’utilisation de Modèles HEC-RAS
5.2. Données topographique requises
5.3 Modélisation de l’Aléa
Chapitre V Méthodologie, modélisation et gestion de risque
5.3.1 Stabilité de modèle et simplifications
5.3.2 Résultats et cartographie
5.4 Cartographie de vulnérabilité
5.4.1. Notions
5.4.2. Niveaux de vulnérabilité
5.5 Analyse du risque
5.5.1. Approche qualitative
5.5.2. Approche quantitative
5.5.3.Approche semi-quantitative
5.5.4 Application de l’approche qualitative
conclusion
Conclusion générale
Références bibliographiques
Annexes
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