La présentation est en train de télécharger. S'il vous plaît, attendez

La présentation est en train de télécharger. S'il vous plaît, attendez

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

Présentations similaires


Présentation au sujet: "Etude de la dynamique de fonctionnement hydrologique des bassins versants torrentiels marneux. Apport du traçage naturel Application aux Bassins Versants."— Transcription de la présentation:

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

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

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

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

5 Processus et facteurs hydrologiques 1. Forçage atmosphérique et climat 2. Conditions initiales 3. Propriétés hydrologiques et variabilité4. Caractéristiques géométriques FacteursVariabilité des processus contrôlée BV : système dynamique NL complexe

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

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

8 Modèle perceptuel Daprès (Seibert & McDonnell, 2002) Conceptualisation de réservoirs à partir dune connaissance approfondie. Cas de Maimai (NZ) Daprès (McGlynn & McDonnell, 2002) Modèle perceptuelModèle conceptuel

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

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

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

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

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

14 Caractéristiques physiques et mesures Bilan des caractéristiques physiques principales des BV Mesures effectuées aux exutoires (daprès Richard et Mathys, 1999) Surface (ha)% terrain nuPente moyenne (%) Laval Moulin Roubine Brusquet

15 990 mm avec 200 j sans pluie Climat et pluviométrie 0°C Influences méditerranéenne et montagnarde + fortes intensités instantanées Année 2003

16 Hydrologie générale Crues violentes : Q spé ++ Ex : septembre 1994, Q pointe = 20 m 3 /s/km² au Laval Episodes principaux de mai à novembre + orages violents et brefs en été Temps de montée : t montée Roubine ~ 5 min - t montée Laval ~ 20 min - t montée Brusquet > min ETP 2001 = 780 mm ETP 2002 = 760 mm ETP 2003 = 830 mm ETP

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 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 ~) Dépôts importants : sur le Laval >> 400 m 3 /an

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

19 Répartition des équipements complémentaires 4 parcelles de 1 m² marnes nues Station climatique 1 piézomètre et 3 bougies poreuses remblai + strate herbacée Site Moulin haut 3 bougies poreuses sous couvert végétal Site Moulin gouttières 4 gouttières sous couvert végétal + 1 gouttière à lexutoire 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 Echantillonnage Évènement n°Date (2002)Pluie (mm) 13 mai mai mai36 45 septembre octobre novembre150 7 et novembre80 Exemple déchantillonnage Evènements principaux échantillonnés Évènement n° Nombre déchantillons (+ basses eaux) Laval160 Moulin200 Roubine265 + échantillonnage dans les équipements complémentaires

22 Bassin du Moulin Caractéristiques hydrochimiques Propriétés statistiques simples :

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

24 Dynamique de minéralisation - Lixiviations p = 40 µS/cm/j t = 30 2 dynamiques de minéralisation : Marnes pyriteuses Régolite Colluvions Marnes en place Efflorescences Potentiel de minéralisation Dynamique rapide (dissolution des sels) : potentiel de minéralisation Dynamique plus lente et continue

25 Bassin du LavalSiO éch. sur les 3 BV Effet de seuil en Ca, Na minéralisation en Na, SiO 2 (cinétique lente) Effet de seuil en Ca, SiO 2 Basses Eaux Minéralisation et temps de résidence Temps de résidence ++ Eléments Na, SiO 2 Hautes Eaux

26 Dynamique de minéralisation rapide Eléments Ca, Mg, SO 4 Eléments Ca, HCO 3 SO 4 = Ca Saturation vis-à-vis de CaCO 3 Bassin du Moulin

27 Basses eaux Discrimination par SO 4 et HCO 3 Pôle « écoulement rapide » Q ++ Pôle « écoulement retardé » Q -- DILUTION disponibilité en sels SO 4, Ca, HCO 3 contrôlé par la saturation Bassin du Moulin T transit court T transit long minéralisation par T transit

28 Altération des minéraux argileux (basses eaux) Cinétique lente Na +,K +, SiO 2 Cinétique limitante Bilan de la minéralisation Cinétique rapide Dissolution des sels Ca, Mg, SO 4 Stock limitant Dissolution de CaCO 3 Ca, HCO 3 Saturation limitante Contrôles géochimiques contributions des différents réservoirs hydrologiques Traceurs difficiles à utiliser pour quantifier

29 Evolutions chimique et isotopique en crue E + P Contribution E : évènementielle P : pré-évènementielle E + P eau peu minéralisée T transit court Bassin du Moulin, 5 septembre 2002 eau + minéralisée T transit + long eau très minéralisée T résidence >> T transit Ecoulement rapideEcoulement 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 Piézomètre remblai, novembre 2002 Réserve hydrologique « profonde » Signal piézo autour de -8.0 PIEZOMETRE Idem 2 points en mai à -8.0

32 Basses eaux DM : Dispersion model T = 50 semaines D p = 2 Evaporation Q = 10* Q étiage moyen

33 Bilan de la réserve hydrologique et hydrique Tranche superficielle de sol ( < 30 cm) Tranche de sol plus profonde ( > 50 cm) Pôle « profond » Basses eaux : mélange Moyenne annuelle δ 18 O () T ~ 10 sem. D p ~ 0.35 T ~ 50 sem. D p ~ 2 T ~ 10 sem. D p ~ 1 T math. T ~ 3 sem. D p ~ 0.35

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

35 Séparation dhydrogrammes à 3 composantes eau pré-évènementielle (Q p ) eau évènementielle rapidement transférée (Q e QT pour quickly transferred) eau évènementielle retardée (Q e DT pour delayed transferred) Q = Q p + Q e QT + Q e DT C·Q = C p ·Q p + Q e QT ·C e QT + Q e DT ·C e DT 2 équations, 6 inconnues C p = constante C e QT : fonction de transfert du signal pluie C e DT : lissage du signal pluie (stockage temporaire) Moyenne du signal pluie depuis le début de lévènement (t = 0) jusquà t 2 équations, 3 inconnues Signal pluie

36 Solution au problème à 3 composantes Après la pluie : Q e QT = 0 on se ramène à un problème à 2 inconnues simple Pendant la pluie : Q e QT 0 manque une équation Q = Q p + Q e QT + Q e DT C·Q = C p ·Q p + Q e QT ·C e QT + Q e DT ·C e DT ~

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

38 D p : dispersion : D p = D/vx Qp ~ simulations avec T p = 10 min (hydrogramme) Bassin du Moulin, 23 mai 2002 D p = 0.35 Détermination de la dispersion ne varie pas avec léchelle seul T varie

39 Application de la méthode Bassin du Moulin, 5 septembre 2002 Runoff (mm) % of total runoff MinMeanMax Q e DT + Q e QT % % % QpQp % % % Q15.7 Lames écoulées et proportions des différentes contributions

40 Bilan des évènements Évènement n°Pluie (mm) Eau évènementielleEau pré-évènementielle min moy maxmin moy max Eau évènementielle exclusivement Eau évènementielle minoritaire (~ 20 %) Large incertitude + contribution équivalente Eau évènementielle majoritaire (60 à 80 %)

41 Modèle conceptuel des BV Q p, C p Réserve hydrologique et hydrique Stockage temporaire Q e DT, C e DT P, C r ENTREE Q, C SORTIE Fonction de transfert Q e QT, C e QT obtenu à partir de lexpérimentation D p obtenu par calage T lié à T p obtenu à partir de lhydrologie

42 Conclusion Méthode originale de séparation dhydrogrammes Confrontation avec des modèles opérationnels - transfert vers dautres bassins dans le cadre de la nouvelle décade PUB (bassins non jaugés) Elaboration dun modèle perceptuel puis conceptuel à partir dexpériences de terrain 1 seul paramètre à caler Valable et applicable pour dautres bassins (contexte torrentiel marneux) autres paramètres déduits de lexpérimentation

43 Merci pour votre attention !!!


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

Présentations similaires


Annonces Google