Éléments du cycle hydrologique

Précipitation

Les précipitations sont la libération d'eau de l'atmosphère pour atteindre la surface de la terre.Le terme 'précipitation' couvre toutes les formes d'eau libérées par l'atmosphère (neige, grêle, grésil et pluie).

Occurrence et types de précipitations

La capacité de l'air à retenir la vapeur d'eau dépend de la température (Davie, 2008) : plus l'air est froid, moins la vapeur d'eau est retenue. Si un corps d'air chaud et humide est refroidi, il deviendra saturé de vapeur d'eau et éventuellement la vapeur se condensera en eau liquide ou solide (c'est-à-dire en gouttelettes d'eau ou de glace). L'eau ne se condensera pas spontanément. noyaux de condensationLors de la condensation, des gouttelettes d'eau ou de glace se forment. Les gouttelettes d'eau ou de glace qui se forment sur les noyaux de condensation sont normalement trop petites pour tomber à la surface sous forme de précipitation. Elles doivent croître afin d'avoir suffisamment de masse pour surmonter les forces de soulèvement dans un nuage. .

Il y a trois conditions qui doivent être remplies avant la formation des précipitations (Davie, 2008) :

• Refroidissement de l'atmosphère
• Condensation de la vapeur sur les noyaux
• Croissance des gouttelettes d'eau ou de glace

Il y a trois grands types de précipitations :

• Précipitations convectives
• Précipitations orographiques
• Précipitations cycloniques

Précipitations convectives

L'air chauffé près du sol se dilate et absorbe plus d'humidité de l'eau. L'air chaud chargé d'humidité monte et se condense en raison d'une température plus basse, produisant ainsi des précipitations. Ce type de précipitation se présente sous la forme d'orages tourbillonnants locaux.

Précipitations orographiques

Le soulèvement mécanique de l'air humide au-dessus montagne barrières, provoque de fortes précipitations sur le versant au vent de la montagne.

Précipitations cycloniques

Le chauffage inégal de la surface de la terre par le soleil entraîne des régions à haute et basse pression. Les masses d'air se déplacent des régions à haute pression vers les régions à basse pression, et ce mouvement produit des précipitations. Si l'air chaud remplace l'air plus froid, le front est appelé un avant-poste. Si l'air froid déplace l'air chaud, son front s'appelle un front froid.

Mesure des précipitations

Les précipitations sont généralement exprimées sous la forme d'une profondeur verticale d'eau liquide. Les précipitations sont mesurées par millimètres (mm), plutôt qu'en volume comme en litres ou en mètres cubes.La mesure des précipitations est profondeur d'eau qui s'accumuleraient à la surface si toute la pluie restait là où elle était tombée. Les chutes de neige peuvent également être exprimées en hauteur d'eau liquide.

À des fins hydrologiques, il est le plus utilement décrit dans profondeur équivalente en eau.

Eau profondeur équivalente est la hauteur d'eau qui serait présente si la neige fondait.

Pour analyse hydrologique C'est important;

• savoir combien de précipitations sont tombées,
• et quand cela s'est produit.

Les précipitations à différents endroits du terrain sont enregistrées à l'aide de deux principaux types de pluviomètres :

• pluviomètres non enregistreurs
• enregistrement des pluviomètres.

Pluviomètres sans enregistrement

Le pluviomètre non enregistreur se compose d'un entonnoir à bord circulaire et d'une bouteille en verre servant de récepteur.

Le boîtier métallique cylindrique est fixé verticalement à la fondation en maçonnerie avec le rebord de niveau au-dessus de la surface du sol.

La pluie tombant dans l'entonnoir est collectée dans le récepteur et est mesurée dans un verre doseur spécial gradué en mm de pluie. Habituellement, les mesures de précipitations sont effectuées à 08.00h16.00 et à 24hXNUMX. Lors de fortes pluies, elles doivent être mesurées trois ou quatre fois dans la journée. Ainsi, le pluviomètre non enregistreur ne donne que la hauteur totale des précipitations des XNUMX heures précédentes.

Enregistrement des pluviomètres

A pluviomètre enregistreur a un agencement mécanique automatique composé de :

• un mouvement d'horlogerie,
• un tambour avec un papier quadrillé fixé autour
• et une pointe de crayon, qui dessine le courbe de masse des précipitations.

Ce type de jauge est aussi appelé auto-enregistrement, automatique or pluviomètre intégré.

A partir de cette courbe de masse des précipitations ;

• la hauteur des précipitations en un temps donné,
• le taux ou l'intensité des précipitations à tout instant pendant un orage,
• le moment du début et de la fin des précipitations, peut être déterminé.

Il y a trois types de pluviomètres enregistreurs :

• Pluviomètre à auget basculant
• Pluviomètre à pesée
• Pluviomètre à flotteur

Pluviomètre à auget basculant

Le pluviomètre à auget basculant est constitué d'un récepteur cylindrique de 30 cm de diamètre avec un entonnoir à l'intérieur.

Au-dessous de l'entonnoir, il y a une paire de godets basculants. Les godets ont pivoté de telle sorte que lorsque l'un des godets. Pluviomètre à auget basculant (d'après Raghunath, 2006). reçoit une pluie de 0.25 mm, il bascule et se vide dans un réservoir en dessous, tandis que l'autre godet prend sa place et le processus se répète. Le basculement du seau s'actionne sur un circuit électrique qui fait déplacer une plume sur une carte enroulée autour d'un tambour qui tourne grâce à un mécanisme d'horlogerie.

Pluviomètre à pesée

Dans le type de pluviomètre à pesée, lorsqu'un certain poids de précipitations est collecté dans un réservoir, il fait déplacer une plume sur une carte enroulée autour d'un tambour à horloge.

La rotation du tambour définit l'échelle de temps tandis que le mouvement vertical du stylo enregistre les précipitations cumulées

Pluviomètre à flotteur

Dans les pluviomètres à flotteur, lorsque la pluie est collectée dans une chambre à flotteur, le flotteur monte, ce qui permet à un stylo de se déplacer sur une carte enroulée autour d'un tambour entraîné par une horloge.

Lorsque la chambre du flotteur se remplit, l'eau siphonne automatiquement à travers un tube de siphon maintenu dans une chambre de siphon interconnectée. Le pluviomètres à pesée et à flotteur peut stocker un modéré chute de neige que l'opérateur peut peser ou fondre et enregistrer la hauteur de pluie équivalente.La neige peut être fondue dans la jaugelui-même (au fur et à mesure qu'il y est collecté) par un système de chauffage qui lui est adapté ou en plaçant dans la jauge certains produits chimiques (chlorure de calcium, éthylène glycol, etc.).

Précipitations moyennes surfaciques

Précipitations ponctuelles : C'est la précipitation enregistrée à une seule station.

Pour les petites zones de moins de 50 km2, les précipitations ponctuelles peuvent être considérées comme la profondeur moyenne sur la zone. Dans les zones étendues, un réseau de stations pluviométriques (stations météorologiques) doit être installé. Comme les précipitations sur une grande surface ne sont pas uniformes, la profondeur moyenne des précipitations sur la zone doit être déterminée.Précipitations moyennes surfaciques est la précipitation moyenne d'une grande zone (bassin, plaine, région, etc.) pendant une période de temps spécifiée (année, mois, etc.).

Les précipitations moyennes surfaciques sont déterminées par l'un des éléments suivants trois méthodes:

• Méthode de la moyenne arithmétique (moyenne)
• La méthode isohyétale
• Méthode du polygone de Thiessen

Quantités moyennes de précipitations des stations pluviométriques pour la période de temps commune (même) sont utilisés dans l'application de ces méthodes, car la durée de la période d'observation pour chaque station peut être différente.

Méthode de la moyenne arithmétique (moyenne)

Il est obtenu en faisant simplement la moyenne arithmétiquement des quantités de précipitations aux stations pluviométriques individuelles (stations météorologiques) dans la zone de drainage.

Pavé = ∑ Pi / n (2.1)

Pavé = profondeur moyenne des précipitations sur la zone

∑ Pi = somme des quantités de précipitations aux stations pluviométriques individuelles

n = nombre de stations pluviométriques dans la zone

Ce la méthode est simple et rapide et donne de bons

estimations en plat pays (Raghunath, 2006) :

• si les jauges sont uniformément réparties,
• et si les précipitations aux différentes stations ne s'écartent pas très largement de la moyenne.

La méthode isohyétale

Dans cette méthode; les précipitations mesurées aux sites de jaugeage (stations météorologiques) sont tracées sur un fond de carte approprié, et les lignes d'égale précipitation (isohyètes) sont tracées en tenant compte des effets orographiques et de la morphologie des tempêtes.

Une carte isohyétale montre des lignes de précipitations égales dessinées de la même manière qu'une carte de contour topographique est dessinée. Une carte isohyétale a un intervalle de précipitation entre les isohyètes-10 mm, 25 mm, 50 mm, etc.

Les précipitations moyennes entre les isohyètes successives (P1, P2, P3,…) sont prises comme la moyenne des deux valeurs isohyètes.

Ces moyennes sont; pondérée par les surfaces entre les isohyètes (a1, a2, a3, …), additionnées, et divisées par la surface totale du bassin ce qui donne la hauteur moyenne des précipitations sur l'ensemble du bassin.

Pavé = ∑ * (Pi +Pi+1)/2 ] ai / A (2.2) ai = aire entre les deux

isohyètes successives Pi et Pi+1

A = superficie totale du bassin.

Méthode du polygone de Thiessen

Cette méthode tente de permettre une distribution non uniforme des jauges en fournissant un facteur de pondération pour chaque jauge (Raghunath, 2006).

Les stations sont tracées sur un fond de carte et sont reliées par des lignes droites.

Les bissectrices perpendiculaires sont tracées sur les lignes droites, joignant les stations adjacentes pour former des polygones.

Chaque zone de polygone est supposée être influencée par la station de pluviomètre à l'intérieur de celle-ci.

P1, P2, P3, …. sont les précipitations aux stations individuelles,

et a1, a2, a3, …. sont les surfaces des polygones entourant ces stations (zones d'influence).

La profondeur moyenne des précipitations pour le bassin est donnée par

Pavé = ∑ Pi ai / A (2.3) A = surface totale du bassin.

Les résultats obtenus sont généralement plus précis que ceux obtenus par une simple moyenne arithmétique.

Les jauges (stations) doivent être correctement situées sur le bassin versant pour obtenir des polygones de forme régulière.

Évaporation et transpiration

Le processus par lequel l'eau est transférée de la surface de la Terre (surface terrestre, surfaces d'eau libres, eau du sol, etc.) vers l'atmosphère est appelé évaporation. Pendant le processus d'évaporation, la chaleur latente d'évaporation est extraite de la surface d'évaporation. Par conséquent, l'évaporation est considérée comme un processus de refroidissement. Évaporation de la surface terrestre, eau libre

les surfaces, l'eau du sol, etc. sont d'une grande importance dans les études hydrologiques et météorologiques car elles affectent (Usul, 2001):

• la capacité des réservoirs,
• le rendement des bassins fluviaux,
• la taille des stations de pompage,
• l'utilisation consommatrice d'eau par les plantes, etc.

Transpiration définit la perte d'eau des plantes dans l'atmosphère à travers les pores à la surface de leurs feuilles. Dans les zones couvertes de végétation, il est presque impossible de faire la différence entre l'évaporation et la transpiration. Par conséquent, les deux processus sont regroupés et appelés évapotranspiration.

Évaporation

Le taux d'évaporation et d'évapotranspiration varie en fonction de :

• les facteurs météorologiques (atmosphériques) influençant la région,
• et sur la nature de la surface d'évaporation.

Les facteurs affectant le taux d'évaporation (et aussi l'évapotranspiration) sont :

1. Radiation solaire
2. Humidité relative
3. Température de l'air
4. Wind
5. pression atmosphérique
6. Température de l'eau liquide
7. Salinité
8. Caractéristiques aérodynamiques
9. Caractéristiques énergétiques

Mesure de l'évaporation

La méthode la plus courante pour mesurer l'évaporation consiste à utiliser un évaporation pain.

Il s'agit d'une grande casserole d'eau avec un instrument de mesure de la profondeur de l'eau.

Cet appareil permet d'enregistrer la quantité d'eau perdue par évaporation sur une période de temps.

Dans une station météorologique standard, l'évaporation est mesurée quotidiennement en tant que changement de la profondeur de l'eau. Un bac d'évaporation est rempli d'eau, d'où la évaporation en eau libre est mesuré. Un bac d'évaporation standard, appelé bac d'évaporation de classe A, mesure 122 cm de diamètre et 25.4 cm de profondeur.

Des coefficients empiriques (coefficient de bac) sont appliqués pour estimer l'évaporation des grandes masses d'eau (lac, réservoir de barrage, etc.) en utilisant l'évaporation de bac mesurée.

Les valeurs du coefficient de bac pour le bac d'évaporation de classe A varient entre 0.60 et 0.80, et 0.70 est utilisé comme moyenne annuelle.

Méthodes d'estimation de l'évaporation

Les difficultés de mesure de l'évaporation à l'aide d'instruments météorologiques ont conduit à beaucoup d'efforts pour estimer l'évaporation.

Il existe différentes méthodes pour estimer l'évaporation :

1. Méthode du bilan hydrique
2. Méthode du bilan énergétique
3. Équations empiriques (Thornthwaite, Penman, Penman-Monteith, etc.)

Méthode du bilan hydrique

Une approche simple pour déterminer l'évaporation implique le maintien d'un bilan hydrique.

Équation de continuité peut s'écrire sous la forme suivante pour déterminer l'évaporation (E) pendant une certaine période :

E=(∆S+P+Qs) – (Qo+Qss)

∆S : Modification du stockage, P : Précipitation,

Qs : afflux de surface, Qo : écoulement de surface,

Qss : écoulement souterrain (infiltration)

Méthode du bilan énergétique

Pour déterminer l'évaporation d'un lac, le budget énergétique peut être utilisé.

E=(Qn+Qv-Qo) / ρ.Le (1+R)

Qn : Rayonnement net absorbé par la masse d'eau, Qv : Énergie advectée de l'entrée et de la sortie,

Qo : İaugmentation de l'énergie stockée dans la masse d'eau, ρ : Densité de l'eau,

Le : Chaleur latente de vaporisation,

R : Rapport de la perte de chaleur par conduction à celle par évaporation.

Équations empiriques (Thornthwaite, Penman, Penman-Monteith, etc.)

Les équations empiriques sont basées sur des variables météorologiques mesurées (paramètres).

Précipitations, rayonnement solaire, vitesse du vent et humidité relative les valeurs sont utilisées dans l'estimation de l'évaporation par ces équations.

En utilisant ces équations, il est possible de faire une bonne estimation de l'évaporation des lacs pour des périodes annuelles, mensuelles ou quotidiennes.

Transpiration

Transpiration par une plante conduit à l'évaporation des feuilles à travers de petits trous (stomates) dans la feuille.

Ceci est parfois appelé évaporation des feuilles sèches.

Diverses méthodes sont conçues par les botanistes pour mesurer la transpiration. L'une des méthodes les plus utilisées est la mesure par phytomètre (Raghunath, 2006).

Un phytomètre se compose d'un réservoir fermé étanche à l'eau avec suffisamment de sol pour la croissance des plantes avec seulement la plante exposée.

L'eau est appliquée artificiellement jusqu'à ce que la croissance de la plante soit terminée.

Le matériel est pesé au début (W1) et à la fin de l'expérience (W2).

L'eau appliquée pendant la croissance (w) est mesurée et l'eau consommée par la transpiration (Wt) est obtenu comme

Wt = (W1+ w) - W2

Évapotranspiration

Évapotranspiration (Et) est l'eau totale perdue d'une terre cultivée (ou irriguée) en raison de l'évaporation du sol et de la transpiration des plantes.Évapotranspiration potentielle (Ept) est l'évapotranspiration de la végétation verte courte lorsque les racines sont alimentées en eau illimitée recouvrant le sol. Il est généralement exprimé en profondeur (cm, mm) sur la zone.

Voici quelques exemples de méthodes d'estimation de l'évapotranspiration (Raghunat, 2006):

• Réservoirs et expériences de lysimètre
• Parcelles expérimentales de terrain
• Équations d'évapotranspiration telles que développées par Lowry-Johnson, Penman, Thornthwaite, Blaney-Criddle, etc.
• Méthode de l'indice d'évaporation.

Infiltration

L'eau pénétrant dans le sol à la surface du sol est appelée infiltration. Il reconstitue le manque d'humidité du sol et l'excès d'eau se déplace vers le bas par la force de gravité. Ce processus est appelé infiltration profonde or infiltration, recharge les nappes phréatiques et reconstitue la nappe phréatique.

La vitesse maximale à laquelle le sol, dans une condition donnée, est capable d'absorber de l'eau est appelée son capacité d'infiltration.

Infiltrations (f) commence souvent à un rythme élevé (20 à 25 cm/h) et diminue jusqu'à un rythme relativement stable (fc) alors que la pluie continue, appelée l'ultime fp (=1.25 à 2.0 cm/h)

Le taux d'infiltration (f) à tout moment t est donnée par l'équation de Horton

(Raghunath, 2006) : f = fc + (fo – fc) e–kt

fo = taux initial de capacité d'infiltration

fc = taux d'infiltration constant final à saturation

k = une constante dépendant principalement du sol et de la végétation e = base du logarithme népérien

t = temps depuis le début de la tempête

L'infiltration dépend de :

• l'intensité et la durée des précipitations,
• météo (température),
• caractéristiques du sol,
• couvert végétal,
• l'utilisation des terres,
• la teneur initiale en humidité du sol (humidité initiale),
• air emprisonné dans le sol ou la roche,
• et la profondeur de la nappe phréatique.

Détermination de l'infiltration

Les méthodes de détermination de l'infiltration sont les suivantes :

• Infiltromètres
• Observation dans les fosses et les étangs
• Lysimètres
• Simulateurs de pluie artificielle
• Analyse hydrographique

Références

• Prof. Dr. FİKRET KAÇAROĞLU, Note de cours, Université Muğla Sıtkı Koçman
• Davie, T., 2008, Fondements de l'hydrologie (deuxième éd.). Rutledge, 200 p.
• Raghunath, HM, 2006, Hydrologie (deuxième éd.). New Age Int. Publ., New Delhi, 463 pages.
• Usul, N., Hydrologie de l'ingénieur. METU Press, Ankara, 404 p.