Sur des modifications apportées au modèle Cequeau
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1. h l J ml _ Superficie 322 ha MAA Figure 2 Localisation des bassins versants tudi s ANALYSE DES R SULTATS ET DISCUSSIONS En ce qui concerne des modifications apport es au mod le Cequeau nous rappelons qu elles ont t faites pour r pondre aux situations rencontr es dans les bassins tudi s la pr sence de karstification l h t rog n it spatiale des param tres li s au transfert dans le sol En effet il a t observ que les comportements hydrodynamiques des parcelles du site exp rimental de Poucharramet taient diff rents ceci tant d la pr sence de profils p dologiques tr s contrast s Le sous bassin 5 du site d Aurad pr sente un d bit sp cifique inf rieur au reste du bassin La solution pr conis e qui consiste introduire dans Cequeau des param tres de vidange variables d un carreau entier l autre am liore sensiblement les r sultats de simulation En effet on observe sur le site d Aurad une r duction des coulements dans le sous bassin 5 obtenue par une diminution de la valeur des coefficients de vidange Ainsi les exc dents d eau emmagasin s dans les r servoirs fictifs A BV Poucharramet CR Superficie 4 6 ha D bit m s 482 X journ es hydrologiques Orsiom Sepiembre 1994 favorisent les pertes par vapotranspiration ce qui para t plus conforme la r alit de terrain Un effet similaire a t obtenu sur2. quation de Pair montrent qu une des voies pour l am lioration des r sultats des simulations r side dans une meilleure prise en compte de la physique des transferts aussi bien au niveau de la zone satur e qu au niveau de la zone non satur e mais aussi au niveau de l interface atmosph re sol L introduction de variables d chelle est aussi une alternative int ressante exploiter En effet ces facteurs d chelle qui relient les caract ristiques d un syst me un autre et qui traduisent la connaissance que l on a des param tres physiques qui influent sur le cycle de l eau permettent aussi de limiter les temps de calcul D ailleurs l utilisation pratique des facteurs d chelle dans les sciences des sols a t introduite par TizLoTson et NIELSEN 1984 En hydrologie ils ont t utilis s dans l tude de l infiltration au niveau de bassins versant voir pour cela SHARMA et al 1980 L utilisation de facteurs d chelle pour tudier le mouvement de l eau dans le sol s appuie sur la th orie de milieux semblables qui postule que la propri t hydraulique d un sol est d termin e par la g om trie de l espace des pores et par les propri t s physiques de l eau Ce qui veut dire qui cette th orie n est applicable qu aux coulements dans les milieux poreux ayant une g om trie pr sentant de grandes similitudes On voit donc tout l int r t de nos bases de donn es obtenues dans
3. urbanisation et l industrie y tant peu d velopp es Dans ce sous bassin on rencontre le syst me karstique de La Rochefoucauld Il produit par cons quent un transfert d eau d un bassin versant l autre bassin versant de la Save la Save est un affluent en rive gauche de la Garonne Son bassin versant a une superficie de 1 130 km La rivi re est aliment e en amont par le canal de r alimentation de la Neste et fournit beaucoup d eau pour l irrigation Ainsi l eau de la rivi re Save est assez artificielle On peut avoir une id e de la complexit du syst me en observant les hydrogrammes enregistr s Lombez et Larra Les donn es utilis es dans ce travail ont t fournies par diff rents organismes Les donn es climatologiques pluie et temp rature ont t obtenues aupr s de la M t orologie nationale except pour le bassin du Ruin o la pluie est mesur e par le Cemagref Bordeaux Les d bits sont fournis par l cole Nationale Sup rieure d Agronomie de Toulouse Poucharramet la Grande Paroise SA Aurad le Cemagref Bordeaux Ruin la Compagnie d Am nagement des Coteaux de Gascogne Save et l Agence de 1 Eau Adour Garonne extraits de la Banque Hydro du Minist re de l Environnement Charente X journ es hydrologiques Orstom Septembre 1994 481 BV Charente 2 wG BV Save Superficie 4140 km2 LA a A Superficie 1130 km2 BV Ruin Superficie 547 ha
4. 12 1982 31 12 1983 30 12 1984 30 12 1985 X journ es hydrologiques Orstom Septembre 1994 483 le temps de r ponse d un bassin versant est contr l au niveau du mod le par le temps de concentration variable qui conditionne le transfert d un carreau partiel l autre Or le pas de temps de calcul est fix 1 jour pour tous les bassins afin d tre en accord avec les bases de donn es ce qui ne permet pas de prendre en compte l occurrence de ph nom nes relativement rapides de l ordre de l heure ou de la minute l chelle de petits bassins ou des parcelles comme cela peut tre observ Poucharramet Pour pallier cet inconv nient le mod lisateur est amen ajuster les param tres de percolation ce qui revient favoriser un emmagasinement plus important dans le r servoir nappe En contrepartie ceci se traduit par des valeurs des param tres de vidange plus lev s dans les petits bassins Observ Calcul Calcul Philip Temps j Figure 4 Hydrogrammes observ s et calcul s Angoul me BV Charente tous les bassins tudi s montrent une tr s forte sensibilit aux pertes par vapotranspiration La ma trise des param tres correspondants est donc fortement li e l chelle de repr sentation spatiale mais aussi la parfaite connaissance de la couverture v g tale et son comportement au cours des saisons et m me au cours de la journ
5. X journ es hydrologiques Orstom Septembre 1994 475 SUR DES MODIFICATIONS APPORT ES AU MOD LE CEQUEAU R FLEXIONS SUR LA VARIABILIT SPATIALE PINHEIRO B CAUSSADE R SUM Le mod le hydrologique Cequeau est un mod le conceptuel d terministe distribu Il est bas sur le d coupage du bassin versant en carreaux entiers pour la fonction de production eux m mes tant divis s en carreaux partiels pour la fonction de transfert C est un mod le 28 param tres extr mement sensible la valeur de ceux li s aux changes avec l atmosph re vapotranspiration Dans ce travail on pr sente l application du mod le diff rents bassins situ s dans le sud ouest de la France Les tailles des bassins sont comprises entre 4 4 hectares et 4 140 kilom tres carr s certains pr sentent de fortes h t rog n it s spatiales comme par exemple l existence dekarstification Pour rendre la mod lisation plus r aliste deux modifications ont t introduites possibilit de variabilit spatiale des param tres de transfert dans le sol introduction de l quation de Pue pour d crire le ph nom ne d infil tration dans ce cas la sorptivit est calcul e en fonction de la teneur d eau dans le r servoir sol Des exemples montrent l int r t des modifications propos es et permettent de faire quelques consid rations sur le changement d chelle spatiale IINPT ENSEETHT Institu
6. bassin a suivi un processus d infiltration En fonction de la capacit maximale du r servoir sol une partie de l eau peut tre consid r e comme tant le ruissellement pur Toutefois cette partie de calcul des coule ments est faite apr s la soustraction de la quantit d eau prise par percolation X journ es hydrologiques Orstom Septembre 1994 477 Ainsi il est noter que le mod le ne privil gie pas le ruissellement Pour le cas auquel ons int resse le ruissellement constitue un l ment essentiel Il est surtout important cause du ph nom ne d rosion et de transport de solut s la surface C est pourquoi on a introduit une fonction de partage de l eau disponible la surface de fa on faire la part entre l eau qui ruisselle et l eau qui s infiltre Pour cela on utilise l quation de Pui pour d crire le taux d infiltration chaque pas de temps Dans ce cas le ruissellement a lieu quand le taux d infiltration est inf rieur la quantit d eau disponible Plufon Celui ci est gal la diff rence entre Plufon et la quantit infiltr e Figure 1 D coupage du bassin versant D apr s Morin et Couiizarp 1990 QUATION DE PHILIP Pur 1969 a r solu l quation de Richard pour des conditions initiales etaux limites moins restrictives en supposant que les caract ristiques du sol sont variables avec la teneur en eau et en employant une transformation de Boltzmann Le
7. des bassins versants de taille tr s contrast e et pr sentant des profils g ologiques et p dologiques assez semblables Dans ce cas une chelle de longueur caract ris tique de l espace des pores pour param trer l coulement de l eau dans les sols sans tenir compte de leur g om trie pourrait tre d duite soit de la conductivit hydraulique du sol satur comme le sugg rent Younas et Price 1981 soit d une analyse bas e sur la th orie des fractales X journ es hydrologiques Orstom Septembre 1994 485 REMERCIEMENTS Nous remercions le Conseil R gional Midi Pyr n es pour son soutien financier et l Institut National de Recherche Scientifique de l Universit du Qu bec INRS Eau pour l autorisation d utiliser le mod le Cequeau 486 X journ es hydrologiques Orsiom Septembre 1994 BIBLIOGRAPHIE GIRARD G MORIN G CHARBONNEAU R 1972 Mod le pr cipitation d bits discr tisation spatiale Cahier Orstom s rie hydrologie vol IX n 4 35 52 GuIREssE M 1989 Drainage en sols de Boulb nes relation entre les caract ristiques morphologiques et les propri t s hydrodynamiques des sols Th se de doctorat de l Institut National de Polytechnique de Toulouse 177 p annexes Morn G FORTIN J P LARDEAU J P SOcHANSKA W PAQUETTE S 1981 Mod le Cequeau manuel d utilisation INRS Eau rapport scientifique n 93 449 p Morn G CouizLARD D 1990 Predicting river temp
8. e Ce qui suppose des bases de donn es compl tes mais aussi des pas de temps de calculs adapt s 484 X journ es hydrologiques Orsiom Sepiembre 1994 les h t rog n it s spatiales rencontr es dans les bassins ne peuvent tre raisonnablement prises en compte dans le mod le que si le d coupage spatial en carreaux entiers est suffisamment fin On observe par exemple au niveau de la Charente qu un nombre de carreaux entiers trop faible ne permet pas de repr senter correctement le syst me karstique ceci est d au fait que la fonction de production du mod le est r solue au niveau de chaque carreau entier Ainsi les d bits simul s Coulgens dans la zone karstique sont inf rieurs aux d bits observ s alors qu Foulpogne la source les r sultats sont invers s C estun truisme d observer qu un mod le conceptuel m me spatialis comme Cequeau donne de bons r sultats sur des grands bassins cause de l effet d int gration spatiale et temporelle et qu a contrario il donne des r sultats m diocres sur de petits bassins car il est incapable de prendre en compte l effet local des h t rog n it s spatiales et des brusques variations temporelles sur les transfert hydriques En d autres termes plus la superficie du bassinest petite plus le mod le doit tre raffin et les donn es nombreuses et vice versa Les modifications apport es au mod le Cequeau et notamment l introduction de l
9. e tr s fortes h t rog n it s physiques li es surtout la g ologie et la p dologie lesquelles sont assez difficiles d crire travers des param tres moyens On cite comme exemples la karstification dans le bassin de la Charente ou les poches sableuses dans le bassin d Aurad Dans ce cas on a pris en plus des param tres d j consid r s dans Cequeau original tous les coefficients de vidange variables dans les r servoirs sol et nappe ainsi que le param tre HINF qui repr sente le d but du ph nom ne de percolation du r servoir sol vers le r servoir nappe APPLICATION L application du mod le est faite sur des bassins de diff rentes tailles situ s dans le sud ouest de la France figure 2 Ce sont le champ exp rimental de Poucharramet les bassins repr sentatifs d Aurad et du Ruin et bassins de la Charente et de la Save champ exp rimental de Poucharramet il fait partie de la ferme pilote de l Ensat Il est divis en quatre parcelles ind pendantes avec un syst me de drainage situ une profondeur de 80 100 centim tres La pente moyenne est de 5 7 oet 13 5 o La superficie totale est de 4 6 hectares et la distance entre les drains est de 10 et 25 m tres GuIRESSE 1989 a montr l existence de diff rences p dologiques entre les parcelles qui entra nent des comportements hydrodynamiques diff rents dans le sol et a mesur une conductivit horizontale l horizon B de 2
10. erature with a hydrological model Encyclopedia of fluid mechanics surface and groundwater flow phenomena Gulf Pub Co Texas 10 171 209 Musy A SOUTTER M 1991 Physique du sol Collection G rer l Environ nement Presses polytechniques et universitaires romandes Lausanne PAEGELOW M 1991 Syst me d information g ographique et gestion de l environnement application l tude des sols et de la pollution par les nitrates d origine agricole en bassin versant exp rimental Th se de doctorat de l Universit de Toulouse le Mirail Toulouse 156 p annexes Pur J P 1969 Theory ofinfiltration in Chow V T ed Advances in Hydroscience New York Academic Press v 5 215 296 SHARMA M C GANDER G A HuNT C G 1980 Spatial variability of infiltration in a watershed J Hydrol 45 101 122 TizLorsoN P M NIELSEN D R 1984 Scale factors in soil science Soil Sci Soc Am J 48 953 959 YounGs E G PRICE R I 1981 Scaling ofinfiltration behavior in dissimilar porous materials Water Resourc Res 17 1065 1070
11. la Save pour le sous bassin compris entre les stations de Larra aval et de Lombez amont Pour ce qui concerne l quation de Pairip introduite pour faire de fa on effective la part au niveau de la pluie entre la quantit d eau qui sera disponible pour le ruissellement et la quantit d eau qui participera l vapotranspiration et infiltration il est n cessaire de proc der un nouveau calage des param tres de transfert dans le sol vidange et percolation Il est clair que cette modification entra ne une r duction de l alimentation du r servoir sol en accord avec l observation in situ On constate sur les figures 3 et 4 relatives Aurad et la Charente qui montrent les r sultats obtenus avec et sans l introduction de l quation de Purr une nette am lioration au niveau des d bits de pointe et sur la phase de d crue On rappelle que la station d Angoul me subit l effet de l influence d un r seau karstique Les applications que nous venons de pr senter nous am nent aux remarques suivantes Observ Calcul Calcul Philip 0 4 Li l i 0 3 i 0 2 0 1 i i KAAI 0 pal EE es srl 01 01 1989 01 01 1990 01 01 1991 01 01 1992 31 12 1992 31 12 199 Temps Figure 3 Hydrogrammes observ s et calcul s au sous bassin 1 BV Aurad D bit m3 s 700 600 4 500 300 200 100 0 01 01 1980 31 12 1980 31 12 1981 31
12. m j pour la parcelle 4 et de 1 m j pour la parcelle 1 480 X journ es hydrologiques Orsioin Sepiembre 1994 bassin versant d Aurad le bassin versant d Aurad est situ dans le grand bassin de la Save avec une superficie de 322 hectares o 93 de l occupation est agricole Le bassin est divis en trois sous bassins appel s sous bassin 4 110 ha sous bassin 5 93 ha et bassin 1 322 ha Des tudes men es par PAEGELOw 1991 ont montr que le drainage du sous bassin 5 est constamment au dessous de la moyenne du bassinentier Cela pourrait tre d la pr sence d importantes lentilles sableuses dans ce sous bassin Les eaux stock es seraient alors lib r es au fur et mesure alimentant d une part le ruisseau d autre part l vapotranspiration bassin versant du Ruin le bassin du Ruin d une superficie de 547 hectares est situ dans le grand bassin de la Charente L occupation du sol est essentiellement rurale et les pratiques agricoles vari es sont repr sentatives de celles du bassin de la Charente Il est aussi noter qu une tude g ologique du site r alis e par le BRGM a montr l isolement hydraulique du bassin bassin de la Charente le bassin de la Charente a une superficie de 10 000 km n anmoins on s int resse la partie amont jusqu la station d Angoul me Fleurac qui a une superficie de drainage de 4 140 km Il a une large dominante rurale l
13. rdoire le Bandiat et la Bonnieure sont fortement influenc s par l existence du karst au niveau de La Rochefoucault Les pertes se font dans la Tardoire en aval de Montbron et dans le Bandiat en aval de Feuillade Par contre l eau de la source se trouvant Foulpogne vient du r seau karstique de La Rochefoucauld dans lequel s infiltrent les pertes de ces rivi res Rouiller 1977 en plus des quantit s d eau infiltr es dans la zone karstique Dans le mod le Cequeau on a introduit l influence du r seau karstique en prenant en compte des pertes subies par les rivi res la propagation et le stockage d eau dans le karst Pour ce qui concerne les pertes en rivi re on consid re que X journ es hydrologiques Orstom Septembre 1994 479 celles ci sont fonction du d bit de la rivi re Tardoire en aval de Montbron ou Bandiat en aval de Feuillade et du d bit de la source Ainsi on d crit les pertes subies par les rivi res par une quation du type Op Or eg 2 2r 0s o Qp d bit des pertes de la rivi re vers le karst Qr d bit de la rivi re Qs d bit de la source qa param tre Pour la propagation de l eau dans le syst me karstique on utilise la m thode du r servoir lin aire simple et le stockage d eau dans le r servoir karst est calcul en appliquant le principe de conservation de la masse PARAM TRES DU MOD LE Dans un bassin versant quelle que soit sa taille on rencontre d
14. t de M canique de Fluides de Toulouse URA au CNRS D 0005 All e du Professeur Camille Soula 31400 Toulouse T l 61 28 58 02 Fax 61 28 58 99 476 X journ es hydrologiques Orsiom Septembre 1994 INTRODUCTION Cequeau est un mod le hydrologique qui a t d velopp l Institut National de la Recherche Scientifique INRS Eau Qu bec Canada Il consiste en un mod le conceptuel distribu qui prend en compte les caract ristiques physiques du bassin versant ainsi que leurs variabilit s spatio temporelles comme par exemple le taux d imperm abilisation des sous bassins les coefficients de transfert entre sous bassins et le coefficient de percolation de la zone non satur e vers la zone satur e du sol On retrouve des descriptions plus compl tes du mod le dans les travaux de Girard et al 1972 Morin et al 1981 et Morin et CouiLLarD 1990 Le mod le est bas sur le d coupage du bassin versant en un ensemble de surfaces l mentaires Dans un premier temps le bassin est d coup en l ments de forme carr e et de dimensions peu pr s semblables appel s carreaux entiers figure 1 l est admis sur chaque carreau entier une valeur moyenne de chaque caract re physique repr sentative de l homog n it de la surface l mentaire du bassin et cette valeur moyenne se conservant dans le fractionnement du carreau Le deuxi me d coupage d finissant des carreaux partiels prend en compte le sens des co
15. taux d infiltration l instant f est obtenu par 1 I 5 4 2 o s est la sorptivit qui repr sente la capacit d un sol absorber l eau lorsque l coulement se produit sous l effet d un gradient de potentiel de pression uniquement 478 X journ es hydrologiques Orsioin Septembre 1994 Lorsque tend vers linfini le taux d infiltration tend asymptotiquement vers sa valeur finale En g n ral la valeur de est gale la conductivit hydraulique la saturation Musy et SouTTER 1991 proposent de d terminer la sorptivit en fonction de l humidit du sol comme 0 S So S o s Valeur standard de la sorptivit correspondant une infiltration maximale sur un sol sec tableau 1 0 humidit du sol l instant 0 humidit de saturation du sol Tableau 1 Valeurs des param tres de l quation de Philip Musy et SouTTER 1991 Type de sol Sorptivit S cm s Sable fin 7 2x 10 3 5x10 Limon 4 9x107 6 2x105 Argile 6 3x107 1 7x10 Tourbe 2 5x10 2 2x106 L introduction de l quation de Pair 1969 pour le calcul de l infiltration ajoute deux param tres au mod le Cequeau la sorptivit s et le param tre La sorptivit est calcul e chaque pas de temps Pour cela le param tre HSOL devient la capacit du r servoir sol saturation COULEMENTS DANS LE KARST Dans le bassin de la Charente les d bits des rivi res la Ta
16. ulements de l eau sur le bassin versant Le mod le comporte un ensemble de proc dures de calcul relatives aux op rations de transformation sur les espaces l mentaires et au transfert entre ces espaces l mentaires fonction de production et fonction de transfert La premi re concerne l coulement vertical de l eau dont les principaux ph nom nes sont la pluie la fonte de neige l vapotranspiration et l infiltration Elle est calcul e au niveau du carreau entier La fonction de transfert rend compte des transformations subies dans le carreau partiel sp cialement par suite de l effet d amortissement et de r duction d aux lacs par les apports provenant des carreaux amonts et par les apports du carreau partiel lui m me Le mod le Cequeau est un mod le 28 param tres La phase de la fonte de neige est r gie par sept param tres et le cycle hydrologique repr sent par les r servoirs sol nappe lacs est d crit par treize param tres Trois param tres peuvent tre variables d un carreau entier l autre CIN coefficient de percolation du r servoir sol vers le r servoir nappe TRI fraction de surface imperm able et EXKT param tre d ajustement des coefficients de transfert d un carreau partial l autre Le mod le Cequeau consid re que la pluie plus la fonte de neige au jour t sont imm diatement disponibles pour alimenter le r servoir sol Ceci veut dire que toute l eau tombant sur le
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