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Summary

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Description

HYDROLOGIE 1-cycle de l’eau Augmentation de la population → augmentation des besoins en eau, la conso x6 1/3 de l’humanité est en stress hydrique → eau est une denrée rare 9 pays se partagent 60% des réserves en eau : Canada, Brésil, Russie, USA, Chine, Indo, Inde, Colombie et Pérou = inégale répartition de l’eau La dispo en eau varie d’une région à l’autre → en Palestine 170m3 par per et par an alors qu’en Islande → 507 463m3 par per et par an. De plus mauvaise gestion de l’eau, gaspillage et pollution → réduit dispo en eau Majorité de l’eau est utilisée pour l’agriculture → 70% Eau douce présente en minorité par rapport à l’eau salée → et la majorité de l’eau douce dispo sur Terre ce sont les glaces polaires

Eau et surfaces continentales La formation des sols se fait par l’action du climat, de la végétation sur les roches affleurantes en 3 processus : - Alteration - Erosion - Activité biologique Ces 3 actions dépendent des flux d’eau

Cycle de l’eau On trouve l’eau sous 3 états : solide, liquide et gazeux. Ces états dépendent de 2 paramètres : la température et la pression

Sur terre on retrouve différents réservoirs d’eau : - Océans - Glaciers - Eau sous terre - Atmosphère - Biosphère - Eau de surface (lac…) Selon le réservoir dans lequel l’eau se trouve, elle peut se renouveler plus ou moins rapidement ➔ 2500 ans dans les océans ➔ 8 jours pour de l’eau dans l’atmosphère

Alimentation directe des nappes Réservoirs en cascades → Eau de pluie → ruissellement ou humectation du proche sous-sol Eau dans sol va soit dans l’atmosphère soit en profondeur dans les nappes Alimentation directe des nappes = Précipitation- Ruissellement -Evapotranspiration

Le soleil Le soleil est un moteur du cycle de l’eau grâce au rayonnement → il participe à l’évaporation de l’eau en surface. Selon la quantité de chaleur que le soleil va apporter il va pouvoir plus ou moins évaporer de l’eau. Echange de chaleur entre atmosphère, sol, océan... S’effectuent par : émission, convection, absorption, réflexion, transmission, diffraction ou diffusion Albedo : Rayonnement solaire est partiellement réfléchi par la surface du sol, différents facteurs peuvent modifier le taux de réflexion : couleur, inclinaison, nature du sol …

Albedo : % de lumière solaire réfléchie à la surface de la terre pour une zone irradiée L’albedo peut également varier a cause des conditions terrestre, climatique

La terre émet également un rayonnement appelé RT : rayonnement terrestre

Rayonnement net RN

Les précipitations Est appelé précipitation toute eau météorique qui tombe sur la surface de la terre, elle peut être sous forme liquide (bruine, pluie..) ou solide (neige, grêle) ou précipitation déposées ou occultes Ces précipitations sont provoquées par un changement de température ou de pression. Elle constituent l’unique « entrée » des principaux systèmes hydrologiques continentaux que sont les bassins versants.

Expression des précipitations : Hauteur de précipitation ou lame d’eau précipitée par unité de surface horizontale (mm) L’intensité est également mesurée en (mm/h) Précision ordre du 0,1mm.

Pluviomètre : mesure précipitation liquide ou solide, indique la quantité d’eau totale recueillit à l’intérieure d’une surface calibrée entre deux intervalles de temps Pluviographe :donne également les intensités

Evapotranspiration Troposphère contient la quasi-totalité de l’eau atmosphérique, air ambiant contient toujours un peu d’eau sous forme gaz Cette eau est fournie par : - Evaporation physique des surfaces d’eau, sols nus, - Transpiration des végétaux Evapotranspiration regroupe évaporation et transpiration. Sol avec couverture végétale → Transpiration plus importante qu’évaporation directe Evapo potentielle : quantité d’eau maximale qui pourrait être évapotranspiré si le stock d’eau dispo était illimité Evapo réelle : quantité d’eau effectivement evapo, compte tenue de l’eau dispo dans le sol

2- Les sols : des milieux poreux Pore Aquifère : milieu poreux Milieu poreux : milieu solide incluant des vides, vides susceptibles d’être remplis ou traversés par des fluides Porosité : espace vide dans une formation géologique ou dans un milieu poreux, la porosité dépend de la taille et de l’arrangement des grains CALCUL DE LA POROSITE totale n

Notion de porosité cinématique Eau est liée à des interactions trop fortes avec la partie solide pour pouvoir circuler → notion de porosité efficace ou cinématique. Attention : il y a une relation entre porosité et circulation Il y a d’autres phénomènes qui peuvent limiter la porosité cinématique comme les pores non connectés ou de pores dits « en culs de sac »

Porosité de drainage = quantité d’eau qu’on peut extraire par drainage Porosité cinématique = quantité d’eau qui peut circuler dans un sol saturé Porosité totale= quantité d’eau totale d’un sol saturé pour des problèmes de dilution

Granulométrie

Perméabilité La perméabilité c’est la capacité d’une formation géologique à être traverser par un écoulement Perméabilité des hydrogéologues : fonction de la porosité et de la taille des vides.

Loi de Darcy

Granulométrie,porosité et permeabilité : corrélations

Hétérogénéité d’un milieu poreux : c’est la propriété d’une grandeur d’être différente suivant la position spatiale Anisotropie d’un milieu poreux : propriété d’une grandeur d’être différnte suivant les directions de l’espace

Perméabilité et écoulement Dans un aquifère, la perméabilité est un des facteurs principaux déterminants les écoulements : l’eau passe préférentiellement la ou c’est le plus facile pour elle de passer. Ecoulement dans un milieu poreux Les écoulements sont contrôlés par deux facteurs : - Distribution et anisotropie éventuelle de la perméabilité du milieu - Grandient de charge piézométrique dans le milieu poreux La charge piézométrique, qu’on appelle également gradient hydraulique

Transferts de l’eau en zone non saturés

On trouve deux types d’eau dans le sol : eau liée et eau libre Eau libre : se trouve en dehors du champ d’attraction des particules solides, elle se déplace grâce à la gravité, les gradients de pression ou d’autres gradients. Eau liée : attachée à la surface des grains par des forces d’attraction moléculaire, ces forces décroissent avec la distance.

1- Eau adsorbée : correspond à l’orientation des molécules d’eau dipolaire perpendiculairement à la surface. Modification profonde des propriétés de l’eau, en particulier viscosité et densité 2- Zone de transition : molécules immobiles Ces phénomènes sont liées à la surface spécifique du milieu, ils sont très fort pour les argiles et entrainent une réduction des possibilités de circulation. ➔ Notion de porosité cinématique

Les états de l’eau dans le sol non saturé : L’eau mouille tous les grains, le gaz à tendance a se disposer au milieu des vides Pour un sol presque saturé en eau : - Phase eau quasi continue circule par gravité - Phase air qui est discontinue et ne circule pas, correspond à 10 ou 15% de la porosité Pour un sol à saturation d’équilibre (capacité au champs) - Phase eau continue et ne circule plus sous la seule action de la gravité - Phase air continue mais ne circule pas Sol faiblement saturé - Phase eau discontinue, les mouvements sont lents : l’eau entoure les grains et occupe des anneaux discontinus (eau pendulaire) - Phase d’air continue et immobile Sol a saturation irréductible - Etat atteint lord d’un dessèchement de sol naturel, ou de l’étuvage (105°C) dans un laboratoire

Présentations de modèles pour la relation K( Ɵ) et K(Ɏ)

Fonction de pédotransfert On utilise les variables primaire du sol pour estimer indirectement des variables dérivées comme les propriétés hydrodynamique du sol. Ces variables primaires se mesurent facilement, et on possède une base de données détaillées dispo

La fonction de pédotransfert estime les courbes de rétention à partir de l’information texturale. L’analyse de la texture permet de connaitre la distribution statistique de la taille des particules Un pore de faible diam développe une force de rétention élevée et vice versa. La distribution statistique des forces de rétention est directement liée à la courbe de rétention.

Mesures de la teneur en eau Mesure directe : quantification directe sur un échantillon, sans calibration Mesure indirecte : mesure d’une variable physique qui est directement lié avec la teneur en eau du sol

Mesures de profils d’humidité dans le sol

Tensiometre

Mesure de K(Ɵ)

Sol

Parametre d’infiltration - Débit d’alimentation - Capacité d’infiltration représente le flux d’eau maximal que le sol est capable d’absorber à travers sa surface s,il est recouvert d’eau. Dépend par le biais de la conductivité hydraulique, de la texture et structure du sol. Mais aussi de la teneur en eau. - Couverture du sol : la végétation influence positivement l’infiltration, ralentie le ruissellement, système radiculaire améliore permeab du sol. Feuillage diminue battance - Topographie et morphologie : influence l’infiltration de manière complexe et dynamique. - Teneur en eau initiale du sol : humidité du sol → facteur essentiel au régime d’infiltration, humidité initiale du sol dépend des précipitations tombées antérieurement.

Technique de mesure Infiltromètre de Muntz : simples ou doubles anneaux enfoncés de quelques cm dans le sol, soumis à une charge d’eau constante Infiltromètre sous pression : enfoncé à quelques cm dans le sol, charge d’eau appliquée + Infiltromètre sous tension : contact avec le sol est assuré par une plaque poreuse, la charge d’eau appliquée est négative

Limitations Ecoulement préférentiels : macropore Pore formés par la faune du sol : 1mm à 50mm de diam → faune du sol les créées Pore formés par la végétation : pénétration des racines dans le sol , libre pour passage de l’eau à la mort de la plante Macropore naturel : sol présente forte conductivité hydraulique initiale, constitution sans grande cohésion, gradient hydraulique élevés Fissures : processus physique ou chimique → diminution de la teneur en eau de sols argileux, lessivage de certains matériaux Problème de ces écoulements - Ecoulement de l’eau au travers du sol + rapide que s’il se faisait sous forme d’un front d’infiltration homogène, non liénaire - Important pour le transfert des matières dissoutes fortement toxiques à faible concentration - Pore de tailles différente dans lesquels les vitesses d’écoulement varient sur plusieurs ordres de grandeurs - Equation de richards est applicable tant que l’écoulement reste laminaire

Notion de bassin versant Un bassin versant représente, une unité géographique sur laquelle se base l’analyse du cycle hydrologique et de ses effets. Un bassin versant peut être considéré comme un système , c’est une surface élémentaire hydrologiquement close cad il n’y a aucun écoulement qui y pénètre de l’exterieur et que tous les excédents de précipitations s’évaporent ou s’écoulent par une seule section → l’exutoire

On analyse le comportement hydrologique d’un bassin versant en étudiant la reaction hydrologique du bassin face à une sollicitation. On observe la quantité d’eau qui s’écoule à l’exutoire du système Surface du bassin versant : couvert et occupations des sols La couverture végétale : activité végétale et type de sol liés → action combines influencent l’écoulement en surface. Couvert végétal retient une proportion d’eau atmosphérique Sol nu, pas de capacité de rétention favorise un ruissellement très rapide. Erosion de la terre va généralement de paire avec absence de couverture végétale. K= surface des forêts/surface totale du bassin x100 Neige et les glaciers Bassin d’altitude partiellement ou totalement couvert de neige ou de glace, doit être prit en compte dans l’étude des facteurs d’écoulement d’eau. Fonte de la neige peut provoquer un important écoulement d’eau. Peut également créer des crues car la neige ou la glace va bouger un barrage naturel et ce dernier va rompre. Surface urbanisée : Surface imperméable joue un rôle en hydrologie urbaine, augmente écoulement de surface, réduisent les infiltrations et la recharge des nappes, diminution du temps de concentration. Tx imperméabilité = surface imper/surf tot Coef de ruissellement Cr= hauteur d’eau ruisselée/ haute d’eau précipité x100 Couverture du sol impacte le ruissellement Mesure du débit Relier la hauteur d’eau au débit

On mesure la vitesse du courant (jaugeages) au niveau de plusieurs stations. Ensuite on effectue l’intégrale de toutes les mesures de vitesses sur la section. Et la courbe de tarage et obtenue en calculant la courbe de régression sur tous les jaugeages fait au cours d’une période déterminée Le jaugeage : mesure instantée de débit, methode la plus courante : methode d’exploration du champ de vitesse avec un moulinet hydrométrique. Petite rivière : moulinet sur une perche, grosse rivière sur une saumon

Courbe de tarage : sous forme de graph ou tableau, relation qui permet de déduire les débits des hauteurs d’eau Q=f(H). Elle est établie manuellement sous la responsabilité du gestionnaire de la station a l’aide des jaugeage effectués à différentes hauteurs et dates. Une partie de la courbe peut être extrapolée au dela des valeurs extrêmes jaugées

Hydrologie et transfert de matière sur les surfaces continentales : altération et érosion Définition Erosion : ensemble de phénomène externes qui à la surface du sol ou a faible profondeur enlèvent tout ou une partie des terrains existant, modifiant ainsi le relief. - Processus chimique avec altération et dissolution par les eaux plus ou moins chargées de gaz carbonique - Processus physique ou mécanique avec désagregation des roches, et enlèvement des débris par une fluide → distinction entre érosion éolienne, fluviatile… Erosion chimique (altération) enlève 6à 7 mm/1 000 ans sur la surface des continents. Erosion mécanique 10X+. Vitesse en moyenne, car varie selon les zones Erosion chimique : altération Erosion : pour physique et mécanique Eau est le principal agent d’alteration et d’érosion des surfaces, ainsi que du transport es matières dissoutes et particulaires

Correlation positive entre T et erosion chimique Respiration des racines, degradation par micro organismes, acidité des sols , evapotranspiration Corrélation positive entre l’érosion physique et les erosion chimique Correlation positive entre flux d’eau et erosion chimique

Loi cinétique → décrire les alterations en milieu naturel a l’échelle d’un petit bassin L’approche de la modélisatioon à confirmé certains aspects que l’on connaissait déjà (rôle de minéraux, traces) Erosion des surfaces continentales Cycle sédimentaire...