Climat et cycle de l’eau

1. Climat et cycle de l’eau • Le cycle global de l’eau • Ressource et usages de l’eau • Le bassin versant • Le bilan hydrologique • Les précipitations • L’évaporation http://hydram.epfl.ch/e-drologie/ http://www.enpc.fr/cereve/cereve-francais.html Musy A., Higy C. (2004). Hydrologie – 1. Une science de la nature. Collection Gérer l’environnement, Presses Polytechniques et Universitaires Romandes, Lausanne.

2. les stocks d’eau en % Le cycle de l’eau http://webworld.unesco.org/water/ihp/db/shiklomanov/

3. les stocks en km3 Le cycle de l’eau • terres émergées représentent 149 106 km2 • surface totale de la planète de 510 106 km2 Atmosphère : 13 000 Glacier :27500 000 Lacs et rivières : 200 000 Océan : 1 350000 000 Aquifères souterrains : 8400 000 http://www.enpc.fr/cereve/cereve-francais.html

4. 23 % absorbé Émission d ’infrarouge 70 % Évaporation et condensation de l ’eau : transfert de chaleur latente de la terre à atmosphère 80 W/m² (23%) l Émission d ’infrarouge 47 % absorbé 18 % 3. Bilan d’énergie Flux turbulents et cycle de l’eau L ’eau et le transfert de la chaleur latente : la clé de la balance énergétique terre-atmosphère Chaleur latente (changement de phase) et chaleur sensible (élévation de température) (P.A. Roche, ENPC, cours)

5. Evaporation : 500 000 45000 Pluviométrie sur les continents : 110 000 Evapotranspiration 65 000 Pluviométrie sur l ’océan : 455 000 45000 les flux en km3/an Le cycle de l’eau • terres émergées représentent 149 106 km2 • surface totale de la planète de 510 106 km2 Atmosphère : 13 000 Glacier :27500 000 Lacs et rivières : 200 000 Océan : 1 350000 000 Aquifères souterrains : 8400 000 http://www.enpc.fr/cereve/cereve-francais.html

6. les notions théoriques Le cycle de l’eau Equations de conservation = Équations différentielles pour la conservation de la masse, de l’énergie, de la quantité de mouvement Le cycle de l’eau = transport, stockage, changement de phase Stock ≠ Flux Temps de renouvellement : Tr = stock / flux Le lame d’eau : Le = stock / surface

7. le temps de renouvellement Le cycle de l’eau Les flux sont différents des stocks Les océans = 71% de la surface terrestre Pluie 1260 mm/an - Evaporation 1385 mm/an débit moyen : 45 000 km3 / an = ressource renouvelable (moins de 7000 m3 / habitant en 2000)

8. L’inégale répartition Le cycle de l’eau • Ressource inégalement répartie - variations considérables dans le temps et dans l’espace. L’Asie a 60% de la population et 36% des flux, l’Amérique du Sud a 6% de la population et 26% des flux (l’Amazonie représente 4% des terres et 16% des flux) http://www.unep.org/vitalwater/freshwater.htm

9. La ressource en eau : mobilisable ? Ressource - usages Précipitations sur les continents 110000 Eaux bleues (fleuves, nappes) Eaux vertes (du sol) 65000 45000 Ressources mobilisables 9-14000 (km3/an) Ressources mobilisées 3800 D. Zimmer, Conseil Mondial de l’Eau

10. Précipitations - ressources Ressource - usages Précipitations sur les continents 18500 Eaux bleues (fleuves, nappes) Eaux vertes (du sol) 11000 7500 Ressources mobilisables 1500-2300 (m3/hab/an) Ressources mobilisées 630 D. Zimmer, Conseil Mondial de l’Eau

11. Répartition des usages Ressource - usages Source : Nations Unies, 1997 De 1900 à 1995, la demande s’est multipliée par six = accroissement deux à trois fois supérieur au taux de croissance démographique

12. Ressource - usages La demande en eau :pression estimée sur les ressources en eau = water stress% de la ressource disponible effectivement prélevée Situation en 2000 P. Chevallier, IRD

13. Demande en eau par habitant :Prélèvement moyen d’eau par personne pour l’usage domestique (en l/jour) Ressource - usages (date de l’information variable selon les pays entre 1980 et 2000)Sources : Gleick et al. (2002)

14. Définition Le bassin versant Le bassin versant en une section d'un cours d'eau est défini comme la surface drainée par ce cours d'eau et ses affluents en amont de la section. Tout écoulement prenant naissance à l'intérieur de cette surface doit donc traverser la section considérée, appelée exutoire, pour poursuivre son trajet vers l'aval. Si le sous-sol est imperméable, le cheminement de l'eau ne sera déterminé que par la topographie. Le bassin versant sera alors limité par des lignes de crêtes et des lignes de plus grande pente. P. Laborde, cours d’hydrologie, Nice

15. Définition Le bassin versant Tout bassin versant se définit géométriquement, par rapport à un lieu donné d'un cours d'eau (embouchure ou un point quelconque) par un contour (ligne de partage des eaux) et par une superficie. Le bassin est l’unité de l’espace sur laquelle on définit les conditions aux limites pour calculer les équations de conservation http://hydram.epfl.ch/e-drologie/

16. Bassin topographique et hydrogéologique Le bassin versant

17. des caractéristiques Le bassin versant Pour expliquer les écoulements d’un bassin à l’autre : La surface du bassin versant (la plus importante pour expliquer les débits) s'obtient par planimétrage sur une carte topographique (en km2) ; La forme plus ou moins allongée du bassin ; Le relief influence l’écoulement par les variations des paramètres hydrométéorologiques avec l’altitude, et aussi par le lien entre vitesse d’écoulement et pente. Le réseau hydrographique : longueur, pente, densité, ordre… ET AUSSI : La couverture du sol : couverture végétale, surfaces urbanisées, surfaces d’eau libre, présence de neiges ou de glaciers ; La nature du sol ; La géologie du substratum : perméabilité, écoulement de l’eau souterraine, … ; Les outilsLes Modèles Numériques de Terrain (fichiers pentes, orientations, directions de drainage …) Les Systèmes d’Information Géographiques (couches thématiques avec images satellites …)

18. Précipitations 700 mm Evapotranspiration 400 mm Ecoulement direct 120 mm Ecoulement total 300 mm Ecoulement retardé (nappes) 180 mm Infiltrations profondes Le bilan hydrologique Le bilan hydrologique en climat tempéré océanique P = Ec + ETR + Inf + ΔS http://www.enpc.fr/cereve/cereve-francais.html

19. Le bilan hydrologique Le bilan hydrologique http://www.brgm.fr/divers/nappes.htm#secher

20. La formation des précipitations Les précipitations Les précipitations se forment par condensation de la vapeur d’eau atmosphérique: -saturation par refroidissement, détente adiabatique, apport de vapeur d’eau, turbulence - présence de noyaux de condensation Précipitations frontales Précipitations convectives Précipitations orographiques P. Laborde, cours d’hydrologie, Nice

21. Précipitations et cycle global de l’eau Les précipitations circulation générale de l’atmosphère et distribution des précipitations (Jones, 1997)

22. La mesure des précipitations Les précipitations • Pluviomètre journalier, pluviographe, pluviomètre totalisateur ; radar météorologique • Mesure de la hauteur de neige ; P. Laborde, cours d’hydrologie, Nice

23. Variabilité temporelle des précipitations Les précipitations Perturbation météorologique ---> averse (qq min à centaines d’heures, qq km2 à qq milliers km2) L'intensité moyenne d'une averse s'exprime par le rapport entre la hauteur de pluie observée et la durée t de l'averse : Hyétogramme de pluie i : intensité de la pluie [mm/h] h : hauteur de pluie de l'averse [mm],t : durée de l'averse [h].

24. Définitions : interception, évaporation Evapotranspiration L’interception : Fraction de la précipitation qui, lors de sa chute, est retenue, principalement par la végétation, mais aussi par différentes surfaces plus ou moins imperméables comme les constructions, les routes ou même les roches à nu. L’évaporation au dessus des surfaces d’eau libre La transpiration des végétaux avec retour de la vapeur d’eau des plantes vers l’atmosphère L’évapotranspiration du sol recouvert par la végétation ET requière de l’énergie pour le passage liquide  vapeur : il y a donc refroidissement. La condensation libère de la chaleur.

25. Evapotranspiration Evapotranspiration Les plantes transpirent : régulation thermique, moteur de circulation de sève 300 à 700 g d ’eau transpirés pour 1 g de matière sèche produit La quantité d’eau transpirée par une plante dépendra de facteurs météorologiques, de l’humidité du sol, des propriétés physiques et physiologiques des plantes (âge, espèce, développement de son feuillage, profondeur des racines).

26. Evapotranspiration : mesures Evapotranspiration Mesures de l’évaporation d’un plan d’eau libre : Bac « Classe A » USA Lysimètre • Evapotranspiration réelle : • Approche hydrologique = bilan hydrique sur une parcelle • Approche micrométéorologique = bilan d’énergie • Approche par la physiologie de la plante = flux de sève • Approches empiriques, analytiques ou physiques. P. Laborde, cours d’hydrologie, Nice