23/02/2015

Hydrologie: science pour l'ingénieur

12882691-view-of-a-dam-for-hydroelectric-energy-production-escales-huesca-aragon-spain.jpgLa pression anthropique sur l’environnement et en particulier sur les ressources hydriques croît de jour en jour. De plus, différents événements hydro-climatiques particuliers accompagnés souvent de conséquences catastrophiques majeures pour la société surviennent régulièrement dans l’une ou l’autre des régions du monde. Il devient de plus en plus nécessaire de gérer plus adéquatement ces ressources et les risques associés afin de mieux répondre aux questions socio-économiques.


 

 

De telles réponses impliquent une meilleure compréhension des processus hydrologiques sous-jacents et nécessitent des études rigoureuses pour concevoir, construire et gérer pertinemment divers ouvrages sur le territoire. Les sciences hydrologiques et leurs différentes disciplines, telles l’hydrologie des processus, l’hydrologie conventionnelle, nivale ou glaciaire, l’hydrologie fréquentielle, sont à la source de tous les développements méthodologiques et techniques orientés vers l’ingénierie de l’eau afin de réaliser ou de réglementer des aménagements appropriés.

PROBLEMATIQUES HYDROLOGIQUES CLES

La gestion de la ressource en eau et des risques hydrologiques associés (e.g. inondation, glissement de terrain, coulées boueuses, phénomène d’érosion, sécheresse) constitue une des préoccupations majeures de nos sociétés. elle conduit à des problématiques hydrologiques diverses, dont les principales sont évoquées ci-dessous.

Prédétermination des variables hydrologiques

Hydrologie%2Bvol_2.tifLa prédétermination de certaines grandeurs hydrologiques s’inscrit dans une gestion à moyen terme de la ressource et des risques associés. Elle est généralement liée au dimensionnement des ouvrages et à la mise en place de mesures, structurelles ou non structurelles, pour la gestion préventive des risques hydrologiques. Elle concerne parfois aussi le diagnostic d’ouvrages ou de systèmes existants dont l’efficacité est conditionnée par la variabilité de la ressource.

Les analyses hydrologiques requises dans ce cadre visent à estimer les valeurs de certaines grandeurs hydrologiques susceptibles d’être observées au cours d’une période donnée en un lieu donné. Quelle que soit la grandeur hydrologique visée, il n’est jamais question d’en estimer la date d’apparition.

Les grandeurs hydrologiques étant très variables dans le temps, leur estimation est nécessairement statistique. L’estimation peut viser la ressource à disposition pour un usage donné : par exemple le volume annuel des apports pour une centrale hydroélectrique au fil de l’eau. L’estimation conduit généralement dans ce cas à donner la valeur moyenne attendue de la variable hydrologique d’intérêt et à en caractériser la variabilité temporelle, saisonnière et inter-annuelle. L’estimation vise aussi souvent les risques associés aux événements hydrologiques exceptionnels. Elle implique alors généralement d’associer une fréquence d’apparition, de dépassement ou de non dépassement à certaines variables hydrologiques caractéristiques de ces événements. C’est le cas des débits maximums de crues ou des débits minimums d’étiages. La fréquence de ces variables est généralement donnée en terme de période de retour, exprimée en années.

Prévision hydrologique

La prévision hydrologique vise la gestion en temps réel de la ressource en eau et des risques hydrologiques. L’objectif d’une prévision hydrologique est d’estimer de façon anticipée l’état futur, l’évolution temporelle à venir ou la date d’apparition de diverses variables hydrologiques.
Les prévisions hydrologiques sont utiles pour de nombreuses applications. A titre d’illustration, le gestionnaire d’un réservoir de stockage des eaux de surface peut optimiser l’utilisation de son stock suivant les apports qui auront été prévus pour les n jours ou semaines à venir. La prévision peut aussi viser l’anticipation des risques associés aux événements hydrologiques exceptionnels, en particulier aux crues et aux étiages. Elle a alors comme principal objectif de réduire les dommages potentiels de ces événements sur les activités humaines, les biens et les personnes (par l’alerte, la commande d’ouvrages).

Impact hydrologique des activités humaines

Depuis la nuit des temps, les sociétés humaines aménagent le milieu naturel et implantent divers ouvrages de régulation pour optimiser la gestion de la ressource en eau ou réduire les risques hydrologiques. Il s’agit, par exemple, de la dérivation de tout ou partie d’un cours d’eau pour alimenter de vastes domaines irrigués ou, de l’implantation d’un barrage pour la production hydroélectrique ou le laminage des crues. Ces aménagements, et la gestion qui en est faite, ont généralement pour conséquence de fortement modifier le régime hydrologique des cours d’eau voire, dans certains cas, le cycle hydrologique des bassins versants correspondants.
La modification du comportement hydrologique des hydrosystèmes peut aussi être induite de façon indirecte par les activités humaines. C’est le cas par exemple de la déforestation de certains territoires, parfois liée aux pratiques agricoles locales ou de l’imperméabilisation des sols, accompagnant toujours l’urbanisation de nombreux bassins versants. Ces modifications de l’occupation des sols conduisent généralement à une forte modification de la répartition des flux hydriques à l’interface sol-végétation-atmosphère qui se traduit souvent par une intensification des événements hydrologiques extrêmes (crues, étiages). L’impact hydrologique des activités humaines peut aussi résulter du tracé des diverses voies de communication qui modifient les limites naturelles des bassins versants et les écoulements.
Quel que soit le contexte considéré, une préoccupation importante des communautés humaines est de pouvoir estimer l’impact sur l’hydrologie de leurs activités existantes ou projetées. Une problématique hydrologique actuelle clé vise à proposer les méthodes et les outils pour cette estimation.

Impact hydrologique du changement climatique

Le changement climatique global en cours, lié pour partie à l’augmentation des gaz à effet de serre résultant des activités humaines, conduit déjà et conduira à une modification significative des climats régionaux et du cycle hydrologique. Il en résultera naturellement, de façon ou plus moins accentuée suivant les régions du globe, une modification de la surface continentale, du comportement hydrologique des hydrosystèmes et par suite de la ressource en eau et des risques hydrologiques. La possibilité d’anticiper ces changements est une nécessité pour anticiper les adaptations inévitables et nécessaires que doivent envisager nos sociétés.
Une analyse hydrologique effectuée dans ce contexte a par exemple pour objectif d’estimer la modification de l’intensité et / ou de la fréquence des événements extrêmes, ou encore, d’estimer la modification de la ressource en terme de volume, de saisonnalité ou de variabilité interannuelle. Cette autre problématique hydrologique clé s’inscrit donc dans le cadre d’une gestion à long terme de la ressource en eau et des risques associés.

METHODES

Les données, ainsi que les méthodes nécessaires pour répondre aux questions posées par ces différentes problématiques sont diverses et variées. Il est possible néanmoins de distinguer différentes approches scientifiques. Elles sont décrites ci-dessous.

Analyse statistique des données observées

Une des tâches hydrologiques les plus fréquentes consiste à estimer les quantités d’eau pouvant être observées (e.g. débits, volumes) en un endroit donné au cours d’une période donnée. Si une longue chronique d’observations est disponible pour la variable d’intérêt, l’analyse statistique des données permet en principe de faire cette estimation.
Une analyse statistique ne nécessite pas forcément de connaître les phénomènes et processus hydrologiques qui déterminent l’évolution temporelle de la variable d’intérêt. Elle nécessite cependant que l’hydrosystème considéré soit stationnaire. Ce qui est rarement le cas du fait des modifications souvent importantes et régulières qu’il subit (e.g. aménagements anthropiques, modifications naturelles de la couverture du sol). Cette limitation est bien entendu accentuée dans un contexte de non-stationnarité climatique.
Par ailleurs, les données sont rarement disponibles là où elles sont requises. Dans de nombreuses régions du monde, il n’existe, pour ainsi dire, aucune donnée hydrologique. L’analyse statistique traditionnelle des données observées est alors impossible. Elle n’est également pas appropriée pour les problématiques qui nécessitent de pouvoir simuler la réponse de l’hydrosystème considéré à une sollicitation météorologique donnée. Dans ces différentes configurations, l’analyse hydrologique implique de faire l’estimation des variables souhaitées sur la base d’autres variables et données. Les observations de diverses variables météorologiques sont par exemple souvent très utiles dans ce contexte. Les méthodes associées à ces approches alternatives sont celles de la régionalisation hydrologique et de la modélisation hydrologique. Elles sont évoquées aux points suivants.

Régionalisation hydrologique

La plupart du temps, l’hydrologue n’a pas à sa disposition toutes les données dont il a besoin sur le site qui l’intéresse pour l’analyse/et ou la modélisation hydrologique souhaitée. Dans ce cas, la prédétermination ou la prévision de la variable hydrologique d’intérêt doit être effectuée sur la base d’autres données informatives disponibles dans la région ou dans le voisinage du site cible. Ces données comprennent souvent les données géographiques et géo-morphologiques permettant de caractériser le bassin versant à étudier. Elles peuvent aussi comprendre diverses variables hydro-météorologiques observées sur ou à proximité de celui-ci. Si l’objectif est d’estimer un débit caractéristique de crue, par exemple, une approche possible consiste à utiliser les débits caractéristiques de crue estimés par ailleurs pour les différents bassins jaugés de la région où se situe le bassin cible.
Les méthodes d’estimation correspondant à ces approches sont les méthodes dites de régionalisation. Elles constituent une part importante des développements méthodologiques et opérationnels en hydrologie.

Modélisation hydrologique

De nombreuses méthodes ont été développées pour produire une information hydrologique non disponible sur la base de données hydro-météorologiques disponibles. La plupart d’entre elles se basent sur des modèles hydrologiques. La plupart de ces modèles ont été développés pour simuler les débits résultant de diverses sollicitations météorologiques, et en particulier des sollicitations pluviométriques. Certains d’entre eux permettent, par exemple, d’émettre une prévision de débits sur la base de prévisions météorologiques, d’autres de produire les scénarios hydrologiques correspondant à des scénarios météorologiques choisis ou développés par ailleurs (e.g. pour le contexte climatique actuel, pour un climat futur).
Les modèles hydrologiques sont divers et variés. Ils sont souvent classés suivant leurs concepts, les logiques et la nature des expressions mathématiques qui définissent les relations quantitatives entre l’information utilisée en entrée du modèle (e.g. précipitations) et l’information produite en sortie du modèle (e.g. débits). De ce point de vue, il est courant de distinguer trois approches de modélisation: l’une est dite physique, l’autre empirique et la dernière conceptuelle.
L’approche physique consiste à utiliser les lois fondamentales de la physique pour représenter et expliquer les processus hydrologiques régissant le comportement de l’hydrosystème étudié. Il s’agit des lois de conservation de la masse, de l’énergie et de la quantité de mouvement. Elles s’expriment sous la forme d’équations aux dérivées partielles par rapport au temps et à l’espace. Si les conditions initiales et les conditions aux limites du système d’équations correspondant étaient parfaitement connues, un modèle physique serait à même de reproduire l’évolution des variables d’état de l’hydrosystème en tout point de l’espace et à tout instant. Cette approche présente diverses limitations. Les caractéristiques physiques du milieu naturel sont très variables dans l’espace. Cette variabilité est très difficile, voire impossible, à décrire car et de surcroît très souvent inconnue. Par ailleurs les processus hydrologiques impliqués dans le comportement hydrologique d’un hydrosystème sont multiples et complexes; ils ne peuvent donc simplement pas être tous décrits. dans les modèles à bases physiques, la description des processus et du milieu est par suite nécessairement simplifiée.
L’approche opposée est de type empirique. Les modèles empiriques reposent sur les relations observées entre les entrées et des sorties de l’hydrosystème considéré. Ils représentent la relation entre variables d’entrée et de sortie du système (e.g. relation pluie-débit) à l’aide d’un ensemble d’équations développées et ajustées sur la base des données obtenues sur le système. Dans ce type de modèle, l’hydrosystème est considéré comme une «boîte noire». La représentation qui en résulte peut considérer diverses composantes du cycle hydrologique. Le fonctionnement que cette représentation propose est généralement très éloigné du fonctionnement réel de l’hydrosystème. Les approches empiriques sont habituellement développées pour être facilement applicables en mode opérationnel. Elles présentent cependant diverses limitations. Basées sur l’expérience de l’observateur, elles peuvent omettre un ou plusieurs facteurs importants dans le comportement hydrologique à représenter. Si elles permettent souvent de bien reproduire les observations, elles sont par ailleurs difficilement transposables pour des contextes hydro-météorologiques différents de celui pour lequel elles ont été développées.
Les approches de modélisation dites conceptuelles se placent entre les deux approches précédentes. Les modèles conceptuels imposent une représentation simplifiée de la description de l’hydrosystème, à savoir de sa géométrie, de ses caractéristiques physiques ainsi que des processus physiques qui en régissent le comportement. La représentation est conceptuelle dans le sens où elle se base sur la perception, a priori, que l’hydrologue a du comportement hydrologique du bassin. Les simplifications possibles sont multiples conduisant de ce fait à toute une série de modèles. Si les simplifications sont importantes, de tels modèles tendent vers les modèles empiriques. Dans le cas inverse, ils s’approchent des modèles à bases physiques. Les modèles conceptuels offrent souvent l’avantage d’être simples à développer et à mettre en œuvre. Ils doivent cependant être ajustés à un jeu de données observées pour l’hydrosystème considéré. Leur transposabilité spatiale et temporelle peut donc de nouveau être source de difficultés. Les modèles conceptuels décrivent souvent l’hydrosystème par une combinaison de réservoirs conceptuels supposés représenter ses différents compartiments hydrologiques (e.g. zone non saturée, zone saturée d’un bassin versant). Ces réservoirs sont reliés entre eux par de simples relations d’échanges. A chaque réservoir est par ailleurs associé une équation de continuité. Cette équation, appelée aussi équation de bilan hydrique en hydrologie, s’applique en fait à tout hydrosystème fermé (e.g. bassin versant, tronçon de rivière, parcelle de sol). Elle exprime le fait que la variation du volume d’eau stocké dans le système au cours d’un intervalle de temps donné est égale à la différence entre la somme des volumes entrants et la somme des volumes sortants sur cet intervalle de temps (fig. 1.2).

Production de scénarios hydro-météorologiques

La gestion optimale, à moyen ou à long terme, de la ressource en eau et des risques associés nécessite la connaissance ou la détermination de scénarios hydrologiques possibles ou probables pour le contexte hydro-climatique considéré. Dans l’idéal, il est même souvent nécessaire de pouvoir considérer toute une série de scénarios de façon à prendre au mieux en compte la variabilité hydrologique existante. Pour la grande majorité des applications hydrologiques et pour autant qu’un modèle hydrologique approprié soit disponible, l’approche courante consiste à simuler les scénarios hydrologiques souhaités sur la base de scénarios météorologiques identifiés ou générés par ailleurs pour le contexte climatique d’intérêt.
De plus, la gestion de la ressource et des risques associés nécessite aussi de pouvoir anticiper l’évolution temporelle probable des variables hydrologiques dans le futur proche. Dans la majorité des cas, les prévisions hydrologiques requises à cet effet sont obtenues par simulation hydrologique sur la base de prévisions météorologiques idoines.
La production de scénarios météorologiques, qu’ils s’inscrivent dans une problématique de prévision ou de prédétermination, constitue une des composantes clés des méthodes d’analyse que l’hydrologue a à disposition.

Extrait du titre Hydrologie 2 
De Benoît Hingray, Cécile Picouet et André Musy 
Publié aux Presses polytechniques et universitaires romandes

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