Bassin versant et bilan hydrologique
L’un des objets – et des moyens d’étude de l’hydrologie — est la quantification des différentes phases du cycle de l’eau. Cette quantification peut se faire à l’échelle du globe tout entier, mais aussi à des échelles d’espace et de temps plus réduites. C’est le bilan hydrologique qui permet cette approche.
Son principe de base est la conservation de l’eau, ce qui veut dire que, sur un laps de temps suffisant, toute la pluie (P) qui tombe sur un espace donné finit par en sortir, soit par écoulement (Q), soit par évaporation (Etr) :
P = Etr + Q
Sur un laps de temps plus court, il faudra prendre en compte les variations de réserves, et lequation deviendra :
P = Etr + Q+ AR
Le terme AR désignant la variation des volumes d’eau momentanément retenus dans l’espace considéré.
Les calculs de bilan ne peuvent se faire que dans une portion d’espace dont on connaît à la fois les entrées et les sorties, qu’on définira comme un bassin versant.
Définition d’un bassin versant
Le bassin versant peut-être défini comme une unité hydrologique, c’est-à-dire une portion d’espace drainée à partir d’un seul exutoire bien identifié. Dès lors, la quantité d’eau qui est sortie du système par écoulement peut être comparée aux entrées pour étudier la relation pluie-débit, objet même de l’hydrologie. Le bassin versant constitue le cadre obligé des calculs de bilans.
Si le sol du bassin est imperméable, ou que le substrat imperméable est peu profond, les limites du bassin sont simplement définies par la ligne de crête qui le sépare du bassin voisin. Dans le cas inverse, le bassin versant réel peut différer du bassin topographique mais, sauf dans des terrains karstiques ou dans le cas de couches sableuses très puissantes, cet effet n’est guère sensible que pour de très petits bassins. En pratique, on admet généralement les limites du bassin versant topographique comme limites du bassin d’alimentation.
Dans l’espace du bassin versant, les écoulements de surface s’organisent en un réseau hydrographique hiérarchisé.
Ce n’est pas seulement parce qu’il permet le calcul de bilans que ce concept de bassin versant est essentiel en hydrologie. C’est aussi parce qu’il représente l’unité fonctionnelle, qui rend compte d’une dépendance rigoureuse de l’amont et de l’aval, avec un enchaînement de processus hydrologiques dans lequel cette dépendance intervient constamment. Ce n’est qu’à l’échelle du bassin versant, en prenant en compte l’ensemble des composantes et des interactions, qu’il est possible d’aborder l’étude des comportements hydrologiques, des relations pluies-débit, de la formation et de la propagation des crues, de la sévérité des étiages…
Peu importe, par ailleurs, la taille du bassin versant, à partir du moment où la mesure de débit est possible – donc à partir du moment où les écoulements se concentrent dans un talweg. Un bassin versant peut être tout petit, ce qui est souvent le cas des BVRE (bassins versants représentatifs et expérimentaux; cf. §3). Il peut être aussi très grand : celui de l’Amazone rassemble les eaux de plus du quart d’un continent avec un bassin de 7 millions de km2. Selon le problème que l’on cherche à résoudre, la taille du bassin considéré ne sera pas la même.
Bilan hydrologique
L’approche quantitative globale, à partir de bilans, est essentielle en hydrologie. D’abord, c’est un moyen de contrôle intéressant de la qualité des séries chronologiques d’observations hydroclimatiques et même un moyen de détection, sinon d’explications, des anomalies décelées ou non par d’autres voies. Ensuite, les calculs de bilans constituent la seule méthode susceptible de donner des informations assez globales sur les pertes réelles par évaporation. Or, la connaissance de cette évaporation, et plus encore de ses éventuelles modifications, constitue un enjeu essentiel de la recherche en hydrologie.
Le calcul du bilan hydrologique, à partir des seules valeurs mensuelles, permet déjà une bonne description du déroulement de l’année hydrologique par une approche globale des volumes d’écoulement ou d’évaporation, et aussi une estimation de l’état des réserves. Ces connaissances sont essentielles pour contribuer à résoudre maints problèmes hydrologiques, que ce soit dans une optique de recherche fondamentale ou de gestion des ressources en eau. De plus, avec les moyens informatiques actuels, les calculs au pas de temps journalier ne présentent plus de difficultés opérationnelles lorsqu’on dispose des données et, à cette échelle temporelle, les bilans peuvent permettre un suivi fin des processus hydrologiques, de même qu’une modélisation des relations pluies-débits.
La méthode des bilans peut donc s’avérer un outil d’information très riche, souvent négligé, peut-être parce que considéré comme trop simple, voire simpliste. Prenons un exemple trivial, celui des études portant sur les origines des crues : une comparaison rapide des valeurs de pluies et de débits permet de savoir si le coefficient d’écoulement (soit le rapport entre les volumes précipités et les volumes écoulés) est élevé – une grande partie du bassin a contribué à la crue – ou, au contraire, s’il est faible – les explications seront à chercher à proximité du talweg. Trop souvent, la cause évoquée ne peut pas être déterminante, simplement parce que sa contribution aux écoulements est forcément trop faible : par exemple, on accuse l’augmentation des surfaces imperméabilisées, alors que l’eau fournie par ces surfaces, dans le cas considéré, ne peut expliquer que quelques pour cent du volume écoulé…
Simple dans son principe, le bilan hydrologique est pourtant complexe à établir. Il fait appel à la plupart des notions qui seront exposées dans cet ouvrage, et c’est pour cette raison que son calcul ne sera proposé qu’après l’étude des différentes phases du cycle de l’eau.
Vidéo : Bassin versant et bilan hydrologique
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