Caractérisation des écoulements liquides
Définitions
Le premier critère de différenciation des cours d’eau est leur abondance, leur débit, c’est-à-dire le volume d’eau (en litres ou mètres cubes) écoulé en un lieu du cours, par unité de temps (le plus souvent la seconde) :
— L’abondance moyenne annuelle a pour expression le module’, moyenne annuelle de tous les débits, exprimés en m3.s-l, calculée sur une longue suite d’années. Cette moyenne annuelle doit être établie sur une période d’au moins trente ans, pour être qualifiée de «normale». Ce module brut (Q_en nAs’1) augmente à mesure que des affluents apportent leur tribut à l’artère principale et, aux bassins les plus vastes, correspondent les modules les plus forts : par exemple, le module de la Loire est d’environ 180 m3.s 1 à Nevers, 345 m .s’1 à Gien et 900 mis-1 à l’embouchure. Pourtant, la corrélation n’est pas parfaite et il existe des exceptions, comme, par exemple, le Nil qui s’appauvrit dans sa traversée du désert.
– L’augmentation du module avec la taille du bassin versant oblige, afin de mieux expliquer les disparités dans l’abondance, à recourir au module spécifique (q) rapport du module brut à la superficie du bassin versant, exprimé en litres par seconde et par km2(l.s_1.km’2). À l’opposé du module brut, le module spécifique s’amenuise d’amont en aval et les valeurs les plus élevées s’observent le plus souvent dans de petits ou très petits bassins amont, généralement parce qu’ils sont en montagne et que la pluviosité y est la plus forte.
La différence entre les deux valeurs, soit P-Q.W, est le déficit d’écoulement-, sur une longue période d’observation, cette différence donne la meilleure approximation du troisième terme de l’équation d’un bilan hydrologique global, l’évapotranspiration réelle, puisque : Q_= P – Etr. Leur rapport soit Q/P (mm) est le quotient d écoulement. Ces deux indices appréhendent globalement tous les facteurs de l’écoulement, autres que les précipitations, dans un bassin versant.
La notion d’échelle
La prise en considération des dimensions de l’espace drainé est fondamentale dans l’étude des débits, pour au moins deux raisons. La première, qui vient d’être illustrée, est l’intérêt, pour comparer les écoulements de bassins de tailles différentes, de faire appel à une homogénéisation d’échelle, en transformant les valeurs de débit brut en des valeurs spécifiques par unité de surface. La seconde est que les termes du bilan, donc les conditions d’écoulement, varient le long des cours d’eau, les débits spécifiques étant généralement plus abondants en amont qu’en aval. Il est donc nécessaire, pour décrire et, surtout, comparer l’infinie variété des aspects et comportements fluviaux, de découper l’espace en parties de taille comparable. Plusieurs niveaux de fractionnement ont été proposés en fonction d’objectifs particuliers de la recherche hydrologique.
Parmi les indices hydromorphologiques d’un bassin versant, la densité, le nombre, la longueur, le tracé des talwegs et leurs confluences ont une telle part dans la formation de l’écoulement et la propagation des eaux qu’ils ont été retenus pour différencier, par leur taille, les bassins fluviaux. La méthode, devenue classique, de hiérarchisation des branches d’un réseau hydrographique (Horton-Strahler 1952) est fondée sur
l’importance croissante de ces branches, depuis les ramifications originelles jusqu’à la fin du collecteur principal. Tant que celui-ci est dépourvu de tributaires d’égale puissance, il est dit « d’ordre 1 ». Par le jeu de confluences successives, son numéro d’ordre croît («ordre 2» puis « ordre 3,4,5 etc. ») avec la taille du bassin et la densité du drainage .
Pour comparer valablement différents fleuves, suivant cette méthode, il est essentiel de travailler sur des cartes de même échelle et d’adopter le même degré de simplification cartographique des tracés, ce qui, concrètement, est difficile.
À ce principe géométrique, très abstrait, de classification des branches d’un réseau hydrographique en ordre croissant de l’amont vers l’aval, des améliorations variées ont été apportées. Elles ont cherché à accorder la progression des ordres sur l’artère principale et la croissance du débit (Schreve, 1957 ; Scheidegger, 1965) ou encore les variations saisonnières de l’écoulement et celles de la charge des rivières sous les principaux climats. Dans une telle démarche, M. Jansson (1995), en croisant la typologie hvdrologique des régimes saisonniers de Pardé et la classification climatique de W. Kôppen, a pu comparer le comportement hydrodynamique en un millier de stations drainant des bassins versants d’une même classe de taille, de 1000 à 10000 km2.
D’autres chercheurs ont proposé des échelles de bassins différentes : par exemple, hauts bassins (rangs 1 à 3), cours d’eau de taille moyenne (rangs 4 à 6), grands cours d’eau d’un rang supérieur à 6 (Vannote et al., 1993). Plus concrètement, et dans un esprit de synthèse interdisciplinaire, Lambert (1996) distingue sept classes, chacune désignée par un terme représentatif de l’échelle : ru, ruisseau, rivière simple, grande rivière, fleuve, grand fleuve, très grand fleuve. Pardé a distingué seulement quatre grandes classes de bassins : jusqu’à 20 000 km2 ou un peu plus pour les petits bassins ; de l’ordre de 300 000 km2 pour les grands bassins ; et celle des très grands bassins autour d’un million de km2. Au-delà, les plus grands collecteurs du monde – en fait une quinzaine – drainent des étendues si immenses que leur comportement en grande crue est spécifique.
Partout, les changements d’échelle spatiale entraînent des modifications dans les relations entre composantes du débit, entre éléments des bilans, entre parties constitutives du corridor fluvial, c’est-à-dire du couple indissociable que font la rivière et l’espace qu’elle a modelé. Ils affectent aussi les thèmes de recherche et la façon d’appréhender les phénomènes hydrologiques. Il est clair que, selon l’échelle considérée, les processus, ou plutôt la combinaison de processus à l’origine des écoulements, ne sont pas les mêmes. Ainsi, les mêmes causes peuvent avoir des conséquences différentes selon l’échelle à laquelle on se situe .
Pluie et écoulements au Sahel
La diminution récente des pluies des régions sahéliennes n’a guère été sensible au niveau des écoulements annuels des petits bassins locaux, alors que la réduction des écoulements des grands fleuves a été spectaculaire. L’explication qu’en a donnée Albergel (1987) est la suivante : Pluie et écoulements au Sahel
– Comme la diminution des pluies a limité le développement de la végétation, les OPS ont pris davantage d’extension, augmentant le ruissellement et l’alimentation des cours d’eau locaux. La baisse de la pluviométrie a donc été
compensée par l’augmentation du coefficient de ruissellement, et les débits annuels sont restés du même ordre.
– En contrepartie, les grands fleuves, tel le Niger, sont alimentés par des nappes profondes. L’alimentation de ces nappes a été réduite de façon drastique, sous les influences combinées de la baisse de la pluviométrie et de la hausse du coefficient de ruissellement, donc la baisse du coefficient d’infiltration, et les débits ont diminué de façon spectaculaire. (Olivry eta/., 1995)
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