Etude de la dynamique de fonctionnement hydrologique des bassins versants torrentiels marneux. Apport du traçage naturel Application aux Bassins Versants.

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1 Etude de la dynamique de fonctionnement hydrologique des bassins versants torrentiels marneux. Apport du traçage naturel Application aux Bassins Versants de Recherche d’Expérimentation (BVRE) de Draix, Alpes-de-Haute-Provence, France Alexandre CRAS

2 Enjeux de recherche Processus de formation des écoulements ?
Quels sont les chemins empruntés par l’eau ? Où va l’eau quand il pleut ? AUJOURD’HUI JUSQU’À PRESENT Grande diversité des processus (reconnue depuis années 60-70) Utilisation coordonnée des données disponibles vision intégratrive des processus à l’échelle du BV Problème : complexité difficile à intégrer dans les modèles

3 Objectifs Processus de formation des écoulements ? BVRE de Draix
Organisation temporelle Organisation spatiale vision dynamique modèle perceptuel puis conceptuel de fonctionnement hydrologique

4 Processus d’écoulement
Décade hydrologique (années 60-70) Formalisation Effet piston pluie pression Transfert d’eau Intumescence de nappe (groundwater ridging) SATURATION PAR LE HAUT (infiltration excess overland flow) = Horton SATURATION PAR LE BAS (saturation excess surface runoff) + zones sources variables écoulement en macropores (pipe or macropore flow) écoulement de subsurface (translatory flow, throughflow)

5 Processus et facteurs hydrologiques
Variabilité des processus Facteurs contrôlée 1. Forçage atmosphérique et climat 2. Conditions initiales 3. Propriétés hydrologiques et variabilité 4. Caractéristiques géométriques BV : système dynamique NL complexe

6 Traçage – Modèle de mélange Eau du sol (réserve hydrique)
Q = Qp + Qe C·Q = Cp·Qp + Qe·Ce Mélange à 2 composantes : Q t Eau ancienne Eau nouvelle Mélange à 3 composantes : Q t Eau nouvelle Eau du sol Eau souterraine Eau souterraine (réserve hydrologique) Eau ancienne Eau du sol (réserve hydrique)

7 Limites des modèles de mélange
Non prise en compte du transfert Conservativité + Peu informatif : pas accès aux composantes mécaniques + « Comment les bassins stockent-ils de l’eau pendant de longues périodes et la déstockent-ils ensuite rapidement en crue? » (Kirchner, 2003) Concepts explicatifs : effet piston & ondes cinématiques (Renshaw, 2003), échange eau matricielle et eau des macropores (McDonnell, 1990) les processus de stockage-déstockage sont sans doute largement méconnus

8 D’après (McGlynn & McDonnell, 2002)
Modèle perceptuel Conceptualisation de réservoirs à partir d’une connaissance approfondie. Cas de Maimai (NZ) Modèle perceptuel Modèle conceptuel D’après (Seibert & McDonnell, 2002) D’après (McGlynn & McDonnell, 2002)

9 Changement d’échelle → Objectif majeur de recherche : fossé entre échelle versant et grand BV BV Versant Complexité des scénarios hydrologiques rencontrés Modèle perceptuel Complexité des processus Simplification

10 Cadre scientifique BVRE de Draix gestion Cemagref
Site pilote processus érosifs et hydrologiques Label ORE GIS (1998) Réseau d’étude Recherche pluridisciplinaire PNRH

11 Site d’étude Le Laval 1 km La Bléone Le Moulin Draix La Roubine
Cheval Blanc Sommet de Cucuyon Sommet de Couard Crête de la Blache Pompe Le Brusquet Draix Le Moulin Le Laval Digne-les-Bains La Roubine Le Bouinenc 1 km

12 Organisation générale du paysage
Domaine infra-périglaciaire (versant Cheval Blanc) : effet cryo-érosion et avalanches Corniche des calcaires titoniques Domaine des badlands

13 Badlands - Roubine Terres Noires Callovo-Oxfordien
 Surface : ha  pente moyenne : 75 %  Surface dénudée : 79 % Bassin de la Roubine

14 Caractéristiques physiques et mesures
Surface (ha) % terrain nu Pente moyenne (%) Laval 86 68 58 Moulin 8.0 54 30 Roubine 0.133 79 75 Brusquet 108 13 53 Bilan des caractéristiques physiques principales des BV Mesures effectuées aux exutoires (d’après Richard et Mathys, 1999)

15 Climat et pluviométrie
Influences méditerranéenne et montagnarde Année 2003 990 mm avec 200 j sans pluie + fortes intensités instantanées

16 Hydrologie générale ETP2002 = 760 mm  Crues violentes : Qspé ++
Ex : septembre 1994, Qpointe = 20 m3/s/km² au Laval Episodes principaux de mai à novembre + orages violents et brefs en été Temps de montée : tmontée Roubine ~ 5 min - tmontée Laval ~ 20 min tmontée Brusquet > min ETP ETP2001= 780 mm ETP2002 = 760 mm ETP2003= 830 mm

17 Transports solides et érosion
Concentrations en sédiments (MES) Laval > 300 g/l  800 g/l (août 1997) Moulin < 400 g/l – Roubine < 300 g/l Brusquet ~ 30 g/l Dépôts importants : sur le Laval >> 400 m3/an Erosion annuelle : En moyenne : 100 t/ha/an soit 12 mm de marnes désagrégées Effet de seuil : P – et C ++ (800 g/l pour une pluie de 10 mm ~)

18 Mise en place des équipements complémentaires
Investigation hydrologique et hydrochimique à différentes profondeurs Parcelles 1 m² (surface) Gouttières drainantes (10 à 60 cm) Bougies poreuses (10 à 60 cm) Piézomètre ~ 4 m

19 Répartition des équipements complémentaires
Site Moulin haut bougies poreuses sous couvert végétal 4 parcelles de 1 m² marnes nues Site Moulin gouttières 4 gouttières sous couvert végétal Station climatique 1 piézomètre et 3 bougies poreuses remblai + strate herbacée + 1 gouttière à l’exutoire du Laval et 2 BP au sommet de la Roubine 5 gouttières – 8 bougies poreuses – 4 parcelles – 1 piézomètre

20 Collecteur séquentiel de pluie Discrétisation par pas de 3 mm

21 Nombre d’échantillons
Echantillonnage Exemple d’échantillonnage Évènement n° Date (2002) Pluie (mm) 1 3 mai 79 2 10 mai 29 3 23 mai 36 4 5 septembre 25 5 10 octobre 35 6 14-17 novembre 150 7 et 8 21-27 novembre 80 Évènement n° Nombre d’échantillons (+ basses eaux) Laval 160 Moulin 200 Roubine 265 + échantillonnage dans les équipements complémentaires Evènements principaux échantillonnés

22 Caractéristiques hydrochimiques
Propriétés statistiques simples : Bassin du Moulin

23 Faciès hydrochimiques
Pôle calcique et magnésien hypersulfaté Pôle calcique et magnésien plus bicarbonaté → Variabilité des proportions des anions >> celle des cations Diagramme de Piper Bassin du Moulin – 185 échantillons

24 Dynamique de minéralisation - Lixiviations Potentiel de minéralisation
Marnes pyriteuses Régolite Colluvions Marnes en place Efflorescences ++ - + p = 40 µS/cm/j t = 30’ → 2 dynamiques de minéralisation : Dynamique rapide (dissolution des sels) : potentiel de minéralisation Dynamique plus lente et continue

25 Minéralisation et temps de résidence Effet de seuil en Ca, SiO2 
Eléments Na, SiO2 Basses Eaux Hautes Eaux Effet de seuil en Ca, Na  Effet de seuil en Ca, SiO2  Bassin du Laval SiO2.126 éch. sur les 3 BV minéralisation en Na, SiO (cinétique lente) Temps de résidence ++

26 Dynamique de minéralisation rapide Saturation vis-à-vis de CaCO3
Eléments Ca, Mg, SO4 ↑ SO4 = ↑ Ca Eléments Ca, HCO3 Bassin du Moulin Saturation vis-à-vis de CaCO3

27 Discrimination par SO4 et HCO3
Bassin du Moulin Q -- T transit long Pôle « écoulement retardé » Basses eaux Pôle « écoulement rapide » Q ++ DILUTION T transit court disponibilité en sels SO4↑, Ca ↑, HCO3 contrôlé par la saturation ↑ minéralisation par ↑ Ttransit

28 Bilan de la minéralisation
Dissolution des sels Altération des minéraux argileux (basses eaux) Ca, Mg, SO4 Na+,K+, SiO2 Cinétique lente Cinétique rapide Cinétique limitante Stock limitant Dissolution de CaCO3 Ca, HCO3 Saturation limitante Contrôles géochimiques contributions des différents réservoirs hydrologiques Traceurs difficiles à utiliser pour quantifier

29 Evolutions chimique et isotopique en crue
Contribution E : évènementielle P : pré-évènementielle E + P E + P Bassin du Moulin, 5 septembre 2002 eau peu minéralisée T transit court eau + minéralisée T transit + long eau très minéralisée T résidence >> Ttransit Ecoulement rapide Ecoulement retardé Contribution ancienne

30 Réserve hydrologique et hydrique
1- Réserve hydrologique « profonde » :  piézomètre remblai  Basses eaux (Moulin et Laval) 2- Réserve hydrique et hydrologique superficielle :  eaux des bougies poreuses (réserve hydrique)  eaux des gouttières (réserve hydrologique)

31 Réserve hydrologique « profonde » Signal piézo autour de -8.0 ‰
PIEZOMETRE Signal piézo autour de -8.0 ‰ Idem 2 points en mai à -8.0 ‰ Piézomètre remblai, novembre 2002

32 Basses eaux T = 50 semaines Dp = 2 DM : Dispersion model Evaporation
Q = 10* Qétiage moyen T = 50 semaines Dp = 2

33 Bilan de la réserve hydrologique et hydrique
T ~ 3 sem. Dp ~ 0.35 Tranche superficielle de sol ( < 30 cm) T ~ 10 sem. Dp ~ 0.35 Tranche de sol plus profonde ( > 50 cm) T ~ 50 sem. Dp ~ 2 T ~ 10 sem. Dp ~ 1 Pôle « profond » T math. ∞ Moyenne annuelle δ18O (‰) Basses eaux : mélange

34 Modèle perceptuel des bassins Axe de drainage naturel des bassins
régosol 2, 3, 4 1 régolite 1, 2, 3, 4 3 1 composante Cp colluvions (3), 4 2 Marnes noires litées Roubine 3 Moulin, Laval diaclases 4 est Axe de drainage naturel des bassins 1 Ecoulement de (sub-) surface rapide : ruissellement hortonien, écoulement dans le réseau hydrographique, macropores 2 Ecoulement de (sub-) surface retardé : écoulement en macropores ou stockés dans les colluvions 3 Réserve hydrologique et hydrique superficielle : aquifère perché et eau matricielle (effet piston, intumescence…) 4 Réserve hydrologique profonde

35 Séparation d’hydrogrammes à 3 composantes
eau pré-évènementielle (Qp) eau évènementielle rapidement transférée (QeQT pour quickly transferred) eau évènementielle retardée (QeDT pour delayed transferred) Q = Qp + QeQT + QeDT C·Q = Cp·Qp + QeQT ·CeQT + QeDT ·CeDT 2 équations, 6 inconnues Signal pluie Cp = constante CeQT : fonction de transfert du signal pluie CeDT : lissage du signal pluie (stockage temporaire) Moyenne du signal pluie depuis le début de l’évènement (t = 0) jusqu’à t  2 équations, 3 inconnues

36 Solution au problème à 3 composantes
Après la pluie : QeQT = 0  on se ramène à un problème à 2 inconnues  simple Q = Qp + QeQT + QeDT C·Q = Cp·Qp + QeQT ·CeQT + QeDT ·CeDT Pendant la pluie : QeQT ≠ 0  manque une équation ~

37 Hydrogramme unitaire g() /T Détermination des paramètres
Signal pluie g : Dispersion model (DM) - 2 paramètres : 1- T : temps de transit moyen 2- Dp : dispersion : Dp = D/vx Détermination des paramètres T : temps de transit moyen

38 Détermination de la dispersion
Dp : dispersion : Dp = D/vx avec Tp = 10 min (hydrogramme)  Dp = 0.35 → ne varie pas avec l’échelle seul T varie 500 simulations Qp ~ 0 Bassin du Moulin, 23 mai 2002

39 Application de la méthode
Runoff (mm) % of total runoff Min Mean Max QeDT + QeQT 9.0 57% 9.4 60% 9.8 62% Qp 5.9 38% 6.3 40% 6.7 43% Q 15.7 Lames écoulées et proportions des différentes contributions Bassin du Moulin, 5 septembre 2002

40 Eau pré-évènementielle
Bilan des évènements Évènement n° Pluie (mm) Eau évènementielle Eau pré-évènementielle min moy max 1 79 100 2 29 17 19 23 77 81 83 3 36 4 25 57 60 62 38 40 43 5 35 86 97 14 6 150 74 82 87 13 18 26 7 30 20 22 24 76 78 80 8 50 28 72 Eau évènementielle exclusivement Eau évènementielle majoritaire (60 à 80 %) Large incertitude + contribution équivalente Eau évènementielle minoritaire (~ 20 %)

41 Modèle conceptuel des BV Réserve hydrologique et hydrique
P, Cr ENTREE Fonction de transfert QeQT, CeQT Stockage temporaire QeDT, CeDT Réserve hydrologique et hydrique obtenu à partir de l’expérimentation Qp, Cp T lié à Tp obtenu à partir de l’hydrologie Dp obtenu par calage Q, C SORTIE

42 Conclusion Méthode originale de séparation d’hydrogrammes
→ 1 seul paramètre à caler → autres paramètres déduits de l’expérimentation Elaboration d’un modèle perceptuel puis conceptuel à partir d’expériences de terrain → Valable et applicable pour d’autres bassins (contexte torrentiel marneux) Confrontation avec des modèles opérationnels - transfert vers d’autres bassins dans le cadre de la nouvelle décade PUB (bassins non jaugés)

43 Merci pour votre attention !!!