Chapitre 7 Cycle hydrologique CTN 426: Hydraulique et hydrologie

CTN 426: Hydraulique et hydrologie
Chapitre 7
Cycle hydrologique
1
7.1 Introduction / quelques définitions….
Hydrologie
C’est la science de la terre qui
s’intéresse au cycle de l’eau, c’est-àdire aux échanges entre
l’atmosphère, la surface terrestre et
son sous-sol.
2
n
t io
ir a
Ruissellement
Infiltration
Lacs et
réservoirs
Rivières
et fleuves
Évaporation
nsp
Tr a
Précipitations
Cycle hydrologique
Océan
7.1 Introduction / quelques définitions….
Pourquoi l’hydrologie en génie ?
• Conception et gestion de la ressource hydrique
• Production hydroélectrique
• Inondations
• Irrigation
•Alimentation en eau potable
•Environnement
• Dimensionnement et gestion des réseaux de
drainage urbains
4
7.1 Composantes du cycle hydrologique
n
t io
ir a
Ruissellement
Infiltration
Lacs et
réservoirs
Rivières
et fleuves
Évaporation
nsp
Tr a
Précipitations
• 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
Océan
5
7.1 Composantes du cycle hydrologique
n
t io
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Ruissellement
Infiltration
Lacs et
réservoirs
Rivières
et fleuves
Évaporation
nsp
Tr a
Précipitations
• Évaporation : émission de vapeur par une surface libre d'eau
liquide à une température inférieure au point d'ébullition
Océan
6
7.1 Composantes du cycle hydrologique
n
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Ruissellement
Infiltration
Lacs et
réservoirs
Rivières
et fleuves
Évaporation
nsp
Tr a
Précipitations
• Transpiration : processus par lequel l'eau des végétaux est
transférée dans l'atmosphère sous forme de vapeur
Océan
7
7.1 Composantes du cycle hydrologique
n
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Ruissellement
Infiltration
Lacs et
réservoirs
Rivières
et fleuves
Évaporation
nsp
Tr a
Précipitations
• Évapotranspiration : quantité d'eau transférée du sol vers
l'atmosphère par évaporation et transpiration des plantes
Océan
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7.1 Composantes du cycle hydrologique
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Ruissellement
Infiltration
Lacs et
réservoirs
Rivières
et fleuves
Évaporation
nsp
Tr a
Précipitations
• Interception : précipitation qui est captée et retenue par la
végétation (frondaison des arbres et litière), puis évaporée sans
avoir atteint le sol
Océan
9
7.1 Composantes du cycle hydrologique
n
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Ruissellement
Infiltration
Lacs et
réservoirs
Rivières
et fleuves
Évaporation
nsp
Tr a
Précipitations
• Stockage dans les dépressions : volume d'eau remplissant les
petites dépressions du sol jusqu'à leur niveau de déversement
(pertes)
Océan
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7.1 Composantes du cycle hydrologique
n
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Ruissellement
Infiltration
Lacs et
réservoirs
Rivières
et fleuves
Évaporation
nsp
Tr a
Précipitations
• Infiltration : mouvement de l'eau pénétrant dans un milieu poreux
depuis la surface du sol
Océan
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7.1 Composantes du cycle hydrologique
n
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Ruissellement
Infiltration
Lacs et
réservoirs
Rivières
et fleuves
Évaporation
nsp
Tr a
Précipitations
• Écoulement de surface (ou ruissellement) : partie des
précipitations qui s’écoule à la surface du sol
Océan
12
7.1 Composantes du cycle hydrologique
n
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Ruissellement
Infiltration
Lacs et
réservoirs
Rivières
et fleuves
Évaporation
nsp
Tr a
Précipitations
• Écoulement souterrain : tout écoulement sous la surface du sol
Océan
13
Volume d'eau contenu dans les
différents réservoirs
• Réservoirs
Pourcentage du total
•
•
•
•
•
•
•
•
97,25 %
2,05 %
0,68 %
0,01 %
0,005 %
0,001 %
0,0001 %
0,00004 %
Mers et océans
Calottes glaciaires
Eau souterraine
Lacs
Humidité des sols
Atmosphère
Fleuves et rivières
Biosphère
Bassin versant
– Unité de territoire où chaque goutte d’eau
cheminant en surface, de l’amont vers l’aval, quitte
ce territoire en un point appelé exutoire
amont
aval
15
7.2 Cycle hydrologique
Bassin versant:
 Limites topographiques, élévations et pente
16
Détermination de la superficie de drainage
18
Bassins versants urbains
Courbes de niveau
(isohypses)
28
28
28
29
29
29
30
29
A
28
29
B
28
28
C
XE
(a)
29
D
7.2 Cycle hydrologique
Bassin versant urbain (exemple):
 Île de Montréal
20
Types de précipitations
• Précipitations de convection
• Précipitations orographiques
• Précipitations cycloniques
7.3 Hydrologie des bassins versants
Mesure des précipitations: Pluviomètre
•
Observation : hauteur ou lame d’eau
(mm)
– Mesures ponctuelles : pluviomètre
• Qté totale d’eau précipitée
recueillie à l’intérieur d’une
surface calibrée (récipient
cylindrique)
• Lecture à intervalle de temps
régulier (1 j)
• Lame cumulative dans le temps
• Non automatisé
22
Pluviomètre à augets basculeurs
pluie
tube de
remplissage
auget 1
t
ge
au
L’auget 1 en cours de remplissage
L’auget 2 en cours de vidange
2
pivot
pluie
au
g
et
L’auget 1 en cours de vidange
L’auget 2 en cours de remplissage
1
auget 2
pivot
Pluviomètre à augets basculeurs
Radar météorologique
CNRS 2005
Principe du Radar météo:
•
Le principe du radar est basé sur la réflexion électromagnétique des
nuages. Quand les ondes émises par le radar atteignent des gouttelettes
d’eau ou des cristaux de glace, elles sont réfléchies et captées. Il reste à
transformer la réflectivité Z mesurée par le radar en intensité de
précipitations au sol. La relation la plus utilisée pour opérer cette
transformation est celle de Marshall-Palmer (Chocat, 1997) :
Z  200  P
1,6
P est l’intensité des précipitations en mm/h,
Z est le taux effectif de réflexion mesuré par le radar en mm6/m3.
Évaluation des précipitations
Méthode de la moyenne arithmétique
1
P 
n
n

i= 1
Pi
:
Évaluation des précipitations :
réseau d’isohyètes sur un bassin versant
740
760
720
isohyète
780
800
Bassin versant
Évaluation des précipitations :
réseau d’isohyètes sur un bassin versant
740
760
720
isohyète
hi + hi+1
Pi 
2
780
k
800
Bassin versant
P 

A i Pi
i= 1
Ai est la superficie comprise entre les isohyètes i et i+1,
A est la superficie totale du bassin,
k est le nombre d’intervalles.
A
Évaluation des précipitations
méthode de Thiessen
k
P
A P
i
P2
P1
i
i=1
P3
P7
A
P6
P4
P5
Application
• Un bassin de drainage a la forme d’un carré
ayant des cotés de 2 Km. Les pluviomètres
installés sur trois des coins du bassin ont
enregistré 40mm, 60mm et 20mm de pluie (en
lisant dans le sens des aiguilles d’une montre
autour du carré). Il faut déterminer la pluie
représentative des précipitations sur le bassin
par la méthode des polygones de Thiessen et
comparer avec la moyenne arithmétique
Rétention initiale pour les surfaces
imperméables
• Pour les surfaces imperméables: la rétention initiale
varie entre 0.5 et 3.5mm
• dp = 0.5 +(3 - S)
si S ≤ 3%
si S> 3%
• dp = 0.5
• où dp représente les pertes dans les dépressions
•
S est la pente moyenne du bassin, en %
Rétention initiale pour les
surfaces perméables
• dp = 2 +4.(3 - S) si S ≤ 3%
• dp = 2
si S> 3%
• où dp représente les pertes dans les
dépressions
• S est la pente moyenne du bassin, en %.
7.3 Hydrologie des bassins versants
Mesure de l’infiltration: Estimation par la méthode
de l’indice d’infiltration 
34
Application
période de 30 minutes
intensité i (mm/h)
1
20
2
40
3
60
4
50
5
30
Le ruissellement net recueilli à l’exutoire du bassin à la suite de cette
pluie a été mesuré : R = 40mm. Il faut estimer l’indice d’infiltration 
pour ce bassin.
7.3 Hydrologie des bassins versants
Infiltration vs hyétogramme:
Au début : Intensité i < capacité d’infiltration du sol f
L’eau s’infiltre aussi vite qu’elle est fournie
Infiltration potentielle (= intensité de pluie)
À un certain moment : Intensité i > capacité
d’infiltration (régime limité par capacité)
36
Pluies brute et nette
Évaluation des infiltrations:
méthode de Horton
f(t)
f0
f  t f (f0 f)e
-kt
Infiltration potentielle
Ruissellement
Infiltration réelle
f
temps
Paramètres d ’infiltration de Horton
Catégorie de
A
B
C
D
sol
250 200 125 75
f0 (mm/h)
25
12
6
2,5
f (mm/h)
2à5 2à5 2à5 2à5
k (1/h)
• A : faible possibilité de ruissellement (sable et gravier
bien drainés)
• B : taux d’infiltration moyen (texture moyennement fine à
moyennement grosse : sable)
• C : faible taux d’infiltration (texture assez fine, sols
contenant de l’argile)
• D : forte possibilité de ruissellement (argiles, nappes
constamment hautes)
Application
• Une pluie ayant une intensité constante de 40mm/h est
tombée sur un bassin durant deux heures.
• Il s’agit de trouver la hauteur d’averse nette ou
excédentaire un utilisant la formule de Horton pour
l'infiltration.
• Les paramètres de la formule de Horton sont les
suivants:
• Taux initial d’infiltration f0 = 40mm/h
• Taux asymptotique d’infiltration f = 25mm/h
• K = 3,0h-1
Solution
P  40mm  2  80mm
L'infiltration cumulative selon la formule de Horton  7.7  :
F  t   f
f0 

t
F  t   2  25 
f 
k
 40  25
3
1  e 
 kt
1  e   54,8mm;
32
soit 55mm
Calcul de l’évaporation
n
t io
ir a
Ruissellement
Infiltration
Lacs et
réservoirs
Rivières
et fleuves
Évaporation
nsp
Tr a
Précipitations
• De quoi dépend l’évaporation?
Océan
Estimation de l’évaporation
E  C  e w  ea 
E  C  e w  ea 1  0, 062  V 
où
C est un paramètre,
E est l’évaporation journalière en millimètres quand C = 3,66,
mensuelle en millimètres quand C = 110,
ew est la pression de vapeur de saturation (en kilopascals)
correspondant à la température moyenne journalière ou mensuelle
à la surface de l’eau (voir tableau 7.2),
ea est la pression moyenne journalière ou mensuelle de vapeur à la
température de l’air (en kilopascals).
Température de l’air et pression de
vapeur à la saturation
Température
(degrés C)
-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
Pression de vapeur
à la saturation
(kPa)
0,030
0,050
0,080
0,125
0,184
0,288
0,425
Température
(degrés C)
Tableau 7.2
0
5
10
15
20
25
30
Pression de vapeur
à la saturation
(kPa)
0,611
0,873
1,228
1,704
2,339
3,169
4,244
Bac d’évaporation:Φ=121.9 cm et h=25.4 cm
’
Anemometre
`
Pointe de mesure
Puits de mesure du niveau
de l’eau dans le bac
`
Thermometre
flottant
Application
On veut estimer l’évaporation journalière à partir de la surface d’un
lac situé dans la grande région de Montréal. La température moyenne
de l’air est ta = 30oC. La température moyenne de l’eau est te = 15oC.
La vitesse du vent a été mesurée : V = 20km/h. L’humidité relative de
l’air a été mesurée à l’aide d’un psychromètre : 20%. Il faut calculer
l’évaporation journalière à partir de la surface du lac.
Calcul
•
•
•
•
D’après le tableau 7.2 :
ew (te = 15oC) = 1,704kPa
ew (ta = 30oC) = 4,244kPa
humidité = 0,2 = ea (ta = 30oC)/ ew (ta =
30oC)
• Donc ea (ta = 30oC) = 0,2(4,244) =
0,8488kPa
• E = 3,66(1,704 – 0,8488)(1+0,062  20) =
7mm/j

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