Comprendre le cycle hydrologique : édition internationale

Introduction au cycle hydrologique

L'objectif de ce module est de vous aider à développer une compréhension des éléments du cycle hydrologique afin d'utiliser plus efficacement les sources de données et les outils de prévision.

Dans cette section, vous apprendrez à :

  • Définir les caractéristiques clés de l'hydrologie et du cycle hydrologique
  • Nommer les composantes du cycle hydrologique
  • Décrire le concept de base de la méthode du bilan hydrologique

Les sujets de cette section incluent :

  • Qu'est-ce que l'hydrologie ?
  • Qu'est-ce que le cycle hydrologique ?
  • La méthode du bilan hydrologique
  • Résumé du cycle hydrologique
  • Question de révision

Qu'est-ce que l'hydrologie ?

Gouttes de pluie tombant dans une flaque d'eau

L'hydrologie est l'étude scientifique des eaux de la planète. L'hydrologie examine les propriétés de l'eau ainsi que sa présence, sa répartition et ses mouvements planétaires.

Qu'est-ce que le cycle hydrologique ?

Animation conceptuelle du cycle hydrologique qui permet d'illustrer un bassin de montagne avec son drainage vers un océan. Les flèches pointent vers le ciel depuis l'océan, pour ensuite développer des nuages sur la surface terrestre et les montagnes. Les précipitations ont lieu sur les montagnes et les flèches indiquent que le ruissellement généré par ces précipitations est dirigé vers les cours d'eau, les lacs et dans les diverses couches du sol.

Le cycle hydrologique est souvent appelé cycle de l'eau. C'est le mouvement vertical et horizontal de l'eau sous forme de vapeur, de liquide ou de solide entre la surface de la terre, le sous-sol, l'atmosphère et les océans.

Méthode du bilan hydrologique



Le bilan
Apports (A) – Sorties (S) = ± Variation des réserves (R)
ou
A – S = ± ΔR
(Également appelé équation de continuité pour décrire le principe de conservation de la masse.)

La quantité d'eau d'un espace hydrologique donné peut être calculée de manière générale en utilisant la méthode du bilan hydrologique. Le volume d'eau en tout point d'un système hydrologique peut être considéré simplement comme la différence entre les apports et les sorties du système et le changement de réserves qui en résulte. En d'autres termes, le flux entrant moins le flux sortant équivaut à un changement dans les réserves.

Les hydrologues l'appellent aussi équation de continuité ou principe de conservation de la masse. D'autres formules plus complexes sont également utilisées en hydrologie. Il s'agit notamment de méthodes d'estimation de la vitesse de l'eau, du mouvement de l'eau à travers un réseau de chenaux de cours d'eau et du mouvement de l'eau à travers le sol, parmi d'autres processus physiques.

Résumé du cycle hydrologique

Schéma conceptuel des composantes du cycle hydrologique. Un bassin montagneux est illustré avec le réseau de drainage vers l'océan. Les étiquettes comprennent: l'évaporation, la transpiration, la condensation, les précipitations, la fonte de la glace et de la neige, le ruissellement de surface vers les zones de stockage d'eau douce telles que les lacs et les cours d'eau. L'infiltration dans le sol vers les aquifères et les sources est également incluse. Enfin, le débit restant et les eaux souterraines s'écoulent dans l'océan.

L'hydrologie est l'étude des eaux de la planète. Elle examine les propriétés de l'eau ainsi que sa présence, sa répartition et son mouvement planétaires. La méthode du bilan hydrologique tient compte des apports, des sorties et du stockage de l'eau, ce qui permet de suivre la quantité et le mouvement de l'eau dans le bassin versant.

Question de révision

Question

La quantité d'eau dans un espace hydrologique donné à un moment précis peut être calculée de manière générale comme _____.
(Choisissez la bonne réponse.)

La bonne réponse est d) le bilan entre l'eau entrant et sortant d'un espace hydrologique donné.

Veuillez choisir.

Répartition

Partie du glacier Hubbard, Alaska, s'écroulant dans l'océan.

L'eau dans le cycle hydrologique est répartie sous différentes formes. Afin de comprendre la nature de l'eau, nous devons examiner comment et où l'eau est répartie et comment l'eau se déplace entre les différentes formes de stockage.

Dans cette section, vous apprendrez à :

  • Reconnaître les quatre principaux modes de stockage et de distribution de l'eau dans le cycle hydrologique
  • Décrire les principales caractéristiques de l'eau de mer
  • Décrire les principales caractéristiques de l'eau stockée sous forme de neige et de glace
  • Définir les principales caractéristiques des eaux de surface
  • Décrire les eaux souterraines et définir les composantes clés

Les sujets de cette section incluent :

  • Les océans
  • La neige et la glace
  • Les eaux de surface
  • Les eaux souterraines
  • Question de révision

Les océans

Vagues de l'océan se brisant sur un rivage rocheux, Tasmanie.

Les océans stockent plus de 97 % de l'eau de la planète sous forme d'eau de mer. L'eau de mer est différente de l'eau douce et contient généralement environ 35 grammes par litre de solides dissous, dont la plupart sont du chlorure de sodium. L'eau douce contient généralement 1 gramme par litre ou moins de solides dissous et forme les cours d'eau et la plupart des lacs de la terre.

La quantité de solides dissous détermine comment l'eau est utilisée dans les écosystèmes et influence certaines propriétés physiques de l'eau.

Estuaire près de Yarmouth, Nouvelle-Écosse

La zone où un océan ou une mer et un fleuve se rencontrent est un estuaire, un type d'écosystème important. L'eau de mer et l'eau douce s'y mélangent et les influences des marées y sont présentes. Les sécheresses ou les inondations peuvent affecter un estuaire et avoir des conséquences environnementales et économiques importantes.

Faits sur l'eau : Qu'est-ce que l'eau douce ?

Image d'eau d'un verre d'eau et d'un robinet

Bien que l'eau douce soit classée jusqu'à un gramme par litre de solides dissous, un niveau de qualité de l'eau de 0,5 gramme par litre ou plus n'est pas souhaitable pour la consommation et de nombreuses utilisations industrielles. Avec 35 grammes par litre de solides dissous, l'eau de mer est environ 3 % plus dense que l'eau douce. A noter: L'eau douce a de multiples usages en plus de la consommation (par exemple, l'irrigation et l'industrie).

La neige et la glace

Le manteau neigeux sur les montagnes de la péninsule de Kenai, Alaska

Les calottes glaciaires polaires et les glaciers représentent un peu plus de 2% de l'eau de la terre. Les manteaux neigeux des montagnes sont une importante source d'eau, en particulier dans les régions arides et semi-arides. Dans certaines régions, la neige représente une part importante des précipitations annuelles.

Carte de contour en couleur de l'équivalent en eau de la neige pour le Canada, le 15 mars 2010.

La prévision du ruissellement de fonte des neiges est un processus compliqué qui implique l'estimation des changements de l'équivalent en eau de la neige, ou EEN, du manteau neigeux au cours du temps. Il est également important d'examiner les budgets énergétiques et les propriétés de la surface du sol.

Les eaux de surface

Rivière pendant la saison des pluies en Tanzanie

Le stockage et la répartition des eaux de surface a lieu dans les lacs, les étangs, les rivières et les cours d'eau et représentent moins de 0,01 % de l'eau de la terre.

À tout moment, le volume d'eau dans un lac dépend de la quantité d'eau qui entre et sort du lac. L'eau quitte un lac soit par un exutoire pour laisser l'eau s'écouler en aval, soit par évaporation, transpiration des plantes, infiltration dans le sol, élimination artificielle ou toute combinaison de ces processus.

Faits sur l'eau : Quelle est la plus grande étendue d'eau douce au monde ?

Vue satellite du Lac Baïkal, Russie le 12 mai 2002

À lui seul, on estime que le lac Baïkal en Russie contient environ 20 % de l'eau douce disponible à la surface de la terre. Le point le plus profond du lac Baïkal est de 1 637 mètres. Le plus vieux lac du monde (25-30 millions d'années), il mesure 636 km de long sur 80 km de large et possède 2 100 km de côtes. Son bassin est composé de trois dépressions sous-marines, qui contiennent ensemble un volume de 23 600 km3 d'eau.

Les eaux souterraines

Composantes des eaux souterraines : la zone non saturée est colorée en marron et la zone saturée est colorée en bleu. La zone non saturée comprend un cours d'eau, une source, un aquiclude, une nappe phréatique perchée et le tubage d'un puits. La zone saturée est représentée par le débit de base, le niveau de la nappe phréatique, un aquifère et le fond du puits

Les eaux souterraines se trouvent généralement dans l'aquifère, une zone sous la surface de la terre composée de roches non consolidées et de particules de sol. Cette zone a la capacité de laisser circuler et de stocker ou restituer de l'eau pour l'extraction. Moins de 1 % des réserves totales en eau de la terre sont stockées sous forme d'eau souterraine ou d'humidité du sol.

Les divers termes utilisés pour décrire les systèmes aquifères sont illustrés dans cette figure. Ces caractéristiques sont traitées plus en détail dans la section Eaux souterraines de ce module.

Les sources sont presque entièrement alimentées par les eaux souterraines. Si suffisamment d'eau souterraine est prélevée des réserves et que la nappe phréatique locale est abaissée, le débit de base, qui correspond à l'écoulement de l'eau des cours d'eau pendant les périodes sans précipitation ou sèches, diminuera et les sources pourraient disparaître.

Question de révision

Question

Faites correspondre la localisation des réserves en eau au pourcentage de l'eau totale de la terre.
(Utilisez la case de sélection pour choisir la réponse qui complète le mieux l'énoncé. Chaque réponse ne doit être utilisée qu'une seule fois)

a) Surface
b) Océans
c) Eau souterraine
e) Glace et neige
Veuillez choisir.

L'eau atmosphérique

Photo d'un nuage avec virga

L'eau atmosphérique provient de la répartition et du transport de la vapeur d'eau par transpiration, évaporation et sublimation.

Dans de nombreuses régions de la planète, les précipitations sont le seul moyen d'acheminer l'eau douce vers ces zones.

Dans cette section, vous apprendrez à :

  • Identifier les processus clés dans l'eau atmosphérique
  • Décrire l'importance de la condensation et des précipitations. Identifier les méthodes et outils clés utilisés dans la mesure de ces paramètres
  • Définir l'évaporation et les principales méthodes et outils de mesure. Décrire les problèmes qui rendent difficile le processus de mesure
  • Définir la transpiration et décrire son rôle dans le processus pluie-débit
  • Décrire divers taux de transpiration pour différents types de végétation de surface

Les sujets de cette section incluent :

  • Condensation et précipitation
  • Évaporation
  • Transpiration
  • Sublimation
  • Questions de révision

La condensation et les précipitation

Détail du schéma conceptuel du cycle hydrologique montrant la condensation et les précipitations.

La condensation est le changement de phase de l'eau d'un état de vapeur à un état liquide. Ce processus libère de l'énergie sous forme de chaleur latente et est nécessaire pour créer des précipitations. Pour la plus grande partie de la terre, les précipitations sont le facteur le plus important contrôlant le cycle hydrologique local.

Le type de précipitation, comme la pluie, la neige ou la grêle par exemple, le calendrier saisonnier et la répartition par zone sont tous des facteurs que l'hydrologue doit prendre en compte lors de l'étude d'une région.

Précipitations déterminées à partir du radar et emplacements des pluviomètres fournissant des estimations horaires pour le comté de Clark, Nevada (région de Las Vegas) pour le 19 août 2003

Traditionnellement, les précipitations ont été mesurées avec des pluviomètres. Un inconvénient est qu'un pluviomètre est une mesure ponctuelle. Même avec un réseau de stations, il y aura des lacunes surfaciques dans les données. De plus, certaines stations ne sont lues qu'une fois par jour, ce qui empêche de mesurer l'intensité des averses. De plus, les pluviomètres sont sujets à des dysfonctionnements mécaniques et électriques. L'hydrologue doit garder à l'esprit tous ces problèmes lors de l'estimation des précipitations moyennes pour un bassin.

Méthodes d'analyse des données du réseau pluviométrique: suivi des points de données du réseau pluviométrique; Polygones de Thiessen; Contours d'isohyètes.

Les quantités de précipitations surfaciques pour un bassin versant spécifique peuvent être déterminées par diverses méthodes. L'une des plus simples consiste à faire la moyenne de toutes les valeurs du réseau de stations pour une période donnée. Une autre approche consiste à pondérer les mesures de chaque station en utilisant des polygones de Thiessen. Les polygones de Thiessen sont déterminés en créant des limites de zone équidistantes de chaque station. Les contours d'isohyètes, c'est-à-dire les courbes de niveau d'égale précipitation, peuvent également être utilisés pour l'estimation des précipitations avec un réseau de stations.

D'autres méthodes pour estimer les précipitations comprennent les observations radar et satellitaires. Le radar a l'avantage de fournir des estimations de précipitations à haute résolution et détectées directement, tandis que les satellites fournissent des estimations mesurées indirectement au moins plusieurs fois par jour.

Image radar de convection sur le nord-ouest de l'Australie le 16 janvier 2006

Les mesures radar présentent également des problèmes occasionnels et d'autres considérations auxquelles les hydrologues doivent faire face, tels que le blocage du faisceau par la topographie et le fait que le faisceau radar ne mesure pas les précipitations au sol, mais mesure plutôt les hydrométéores le long d'un trajet à environ 0,5 degré au-dessus de l'horizon.

Pour plus d'informations sur le fonctionnement des radars ainsi qu'une liste des grands réseaux de radars, veuillez consulter la section « ressources supplémentaires » à la fin de ce module.

Produit « estimateur-hydro » expérimental  pour l'Amérique latine. Précipitations en 24 heures se terminant à 12UTC le 20 mars 2010.

Les satellites géostationnaires (GOES) et à orbite polaire (POES) sont utilisés pour les estimations des précipitations, en particulier dans les zones sans réseau de radars ou de pluviomètres. Pour plus de détails sur les estimations des précipitations par satellite, veuillez consulter la section « ressources supplémentaires » à la fin de ce module.

Le résultat final de ces diverses méthodes est de fournir à l'hydrologue une estimation de la quantité de précipitations tombée sur une région. Si des pluviomètres enregistreurs ou des radars sont utilisés, les intensités des averses peuvent également être déterminées. Le taux de précipitations (intensité) est une information utile qu'un hydrologue peut utiliser pour mieux estimer le ruissellement de surface.

L'évaporation

Lac asséché dans les Rocheuses centrales pendant la sécheresse estivale de 2002

L'évaporation est le passage de l'eau d'un état liquide à un état vapeur, à l'opposé de la condensation. Chaque fois que de l'eau liquide est en contact avec l'atmosphère, une évaporation peut se produire. Dans les régions arides, l'évaporation à partir d'une surface d'eau peut atteindre 2 000 mm par an.

Bac d'évaporation de classe A du Service météorologique national

Il existe plusieurs façons de mesurer l'évaporation. Toutes ont des limitations d'une sorte ou d'une autre. L'une des méthodes les plus simples est un bac d'évaporation. La baisse quotidienne du niveau d'eau est une indication de l'évaporation de l'eau libre en surface.

En profondeur : Le paradoxe de l'évaporation en bac

Le paradoxe de l'évaporation en bac résulte d'un conflit entre les résultats attendus et les observations réelles. Des études indiquent que la surface de la terre s'est réchauffée en moyenne d'environ 0,15 °C par décennie au cours des 50 dernières années. Pourtant, dans le même temps, il y a eu une diminution des valeurs d'évaporation des bacs entre 1950 et 1990 sur la base des données des États-Unis et de l'ex-Union soviétique. Un air plus chaud et plus sec près de la surface terrestre devrait augmenter le taux d'évaporation, mais cela ne s'est pas produit. Ce résultat inattendu est appelé le paradoxe de l'évaporation en bac.

Des études supplémentaires sont menées pour examiner les plages de température diurnes et l'insolation solaire afin de comprendre comment ces facteurs affectent l'évaporation dans un climat global plus chaud.

Lysimètres à pesée, à tension et sans tension

Une autre méthode de mesure de l'évaporation utilise un dispositif appelé lysimètre. Ces dispositifs sont placés dans le sol, collectent l'eau du sol et mesurent la variation de masse due à la perte d'eau pour un volume de sol. La masse d'eau du sol change au fur et à mesure que l'eau s'évapore.

En profondeur : Les types de lysimètres

Les types de lysimètres sont nommés à pesée, sans tension et à tension. Le type de lysimètre à pesée mesure la variation de poids dans un volume de terre. Le type de lysimètre sans tension recueille l'eau du sol qui s'infiltre naturellement verticalement à travers les sols, en d'autres termes, l'eau qui est influencée par la gravité. Le type de lysimètre à tension utilise un vide appliqué pour soutirer doucement l'eau du sol à travers un matériau poreux.

Les lysimètres sans tension sont conçus pour capter l'eau du sol qui pourrait autrement s'écouler vers les eaux souterraines ou vers les horizons inférieurs du sol. En revanche, les lysimètres à tension sont conçus pour capter l'eau du sol que les racines pourraient absorber.

Illustration du déficit hygrométrique. Le scénario  « humidité relative élevée et faible déficit hygrométrique » montre que le nombre de molécules de vapeur qui retournent à la surface de l'eau dans un récipient est plus important que celles qui quittent la surface de l'eau, tandis que le scénario l' « humidité relative faible et déficit hygrométrique élevé » montre que le nombre de molécules de vapeur quittant la surface de l'eau est plus élevé que celles qui y reviennent.

Enfin, l'évaporation peut être estimée à partir de mesures météorologiques. Plusieurs caractéristiques physiques affectent l'évaporation, comme la température de l'air, la température de l'eau, le débit d'air à la surface de l'eau et le déficit de pression de vapeur (hygrométrique).

Le déficit hygrométrique est une mesure de la « sécheresse » de l'air, ou de la quantité de vapeur d'eau nécessaire pour saturer l'air. Des déficits hygrométriques élevés ont tendance à se produire avec une faible humidité relative. Il en résulte un plus grand potentiel d'évaporation car il y a plus de pression de vapeur qui s'élève des surfaces humides que celle descendant de l'atmosphère. A l'inverse, un faible déficit de pression de vapeur se produit avec une humidité relative élevée. Il en résulte une diminution du potentiel d'évaporation car la quantité de pression de vapeur descendant de l'atmosphère est presque égale à la pression de vapeur provenant des surfaces humides.

La transpiration

Chemin de l'eau à travers une plante dans le cadre de la transpiration. Le diagramme montre l'eau absorbée par le chevelu racinaire, la pression racinaire, la capillarité et enfin la perte d'eau par transpiration à travers les feuilles.

La transpiration est le processus par lequel l'humidité du sol est absorbée par le système racinaire de la plante et finit par s'évaporer. L'effet combiné de l'évaporation et de la transpiration est souvent appelé évapotranspiration, ou ET, et constitue généralement la plus grande composante de perte du système hydrique du sol.

Paysage de savane au Kenya

Le type de végétation, la densité de la canopée et la couverture végétale influencent directement la quantité d'eau du sol soutirée du bassin versant par la transpiration. Les caractéristiques spécifiques des plantes comme le type et la profondeur des racines, la quantité d'eau entrant et sortant du feuillage et la lumière réfléchie par la surface de la plante sont tous des facteurs importants.

Les plantes telles que les graminées, la végétation arbustive et certaines cultures agricoles ont des saisons de croissance plus courtes, et donc des périodes de transpiration plus courtes, que la végétation forestière.

Forêt tropicale de Taman Negara, Malaisie
Forêt d'épicéas, Oregon, juillet 2003

Dans une forêt, les arbres à feuilles caduques transpirent généralement sur une période plus courte que les conifères. Les taux de transpiration des arbres sont généralement parmi les plus élevés de toutes les plantes. Par exemple, un pin de Monterey à maturité peut avoir une consommation d'eau quotidienne maximale d'environ 350 kg par jour alors qu'un Eucalyptus peut avoir une consommation d'eau quotidienne maximale de seulement 140 kg par jour. Les conditions météorologiques, l'âge, la surface foliaire et le type de feuille influencent tous la transpiration des plantes.

La sublimation

Photographie d'une vallée de montagne sous la neige dans les Alpes

La sublimation est la conversion directe de la neige et de la glace en vapeur d'eau atmosphérique. Grâce à ce processus, la teneur en eau d'un manteau neigeux peut diminuer sans fondre.

La sublimation provoque un refroidissement important du manteau neigeux. L'énergie nécessaire à la sublimation est d'environ 680 calories par gramme de glace contre 80 calories par gramme pour la fonte. En d'autres termes, l'énergie utilisée pour la sublimation d'un gramme de manteau neigeux est la même quantité d'énergie nécessaire pour faire fondre 8,5 grammes de manteau neigeux.

La sublimation est améliorée dans des conditions de faible humidité et de vent. Certaines régions peuvent perdre de gros pourcentages du manteau neigeux dans les bonnes conditions. Cependant, lorsque ces conditions météorologiques n'ont pas lieu, très peu de manteau neigeux peut être perdu par sublimation.

Questions de révision

Question 1 sur 2

Par quelle transformation l'eau liquide devient vapeur d'eau atmosphérique ?
(Choisissez la bonne réponse.)

La bonne réponse est c) évaporation

Veuillez choisir.

Question 2 sur 2

La transpiration des plantes peut être affectée par de nombreux facteurs. Lequel des éléments suivants n'est pas un facteur dans la détermination du taux de transpiration ?
(Choisissez la bonne réponse.)

La bonne réponse est c) la zone de drainage

Veuillez choisir.

Les eaux de surface

Gouttes de pluie tombant dans une flaque d'eau

L'eau de surface est la partie du cycle de l'eau qui concerne l'écoulement de l'eau liquide à la surface de la terre. Chaque fois que l'eau se déplace vers la surface et s'y écoule, elle peut être classée comme eau de surface. Par exemple, une fois que les précipitations touchent le sol et commencent à ruisseler, elles deviennent de l'eau de surface. Lorsque l'eau souterraine surgit à la surface, par exemple une source de montagne, elle est appelée eau de surface.

Les eaux de surface comprennent toutes les rivières et cours d'eau, lacs et réservoirs, ou toute autre eau qui se trouve à la surface de la terre.

Dans cette section, vous apprendrez à :

  • Définir les processus clés associés aux eaux de surface : Infiltration, Humidité du sol, Ruissellement
  • Identifier les facteurs influençant l'infiltration
  • Décrire les éléments de la composition du sol
  • Décrire les conditions possibles du sol et comment elles affectent l'infiltration
  • Définir le ruissellement et décrire l'utilisation de l'hydrogramme pour le mesurer
  • Décrire les éléments du ruissellement

Les sujets de cette section incluent :

  • L'infiltration
  • La composition du sol
  • L'humidité du sol
  • Les types de sol
  • Le ruissellement
  • Questions de révision

L'infiltration

Animation comparant la pluie tombant sur deux volumes de sol: un limon sableux et un limon argileux. Les gouttes de pluie bleues tombent uniformément sur les deux échantillons et commencent à s'infiltrer à la surface du sol. La pluie s'infiltre plus profondément dans le sol sableux limoneux, mais selon un conduit vertical relativement étroit. La pluie s'infiltre moins profondément et de manière horizontale plus diffuse dans le volume de limon argileux

L'infiltration est définie comme le mouvement de l'eau à travers la surface du sol dans le profil du sol. L'infiltration est le moyen par lequel les réserves d'eau souterraine sont rechargées et l'eau est rendue disponible pour soutenir la végétation.

Les termes infiltration et percolation sont souvent utilisés de manière interchangeable, cependant, la percolation fait spécifiquement référence au mouvement de l'eau dans le sol, tandis que l'infiltration fait référence à l'eau entrant à la surface du sol.

Le taux d'infiltration est la quantité d'eau qui pénètre dans le sol au cours d'une période de temps donnée. Le taux d'infiltration est directement influencé par la texture du sol, la couverture du sol, la teneur en eau du sol, la température du sol, le type et l'intensité des précipitations.

La capacité d'infiltration, qui réunit l'infiltration de surface et la percolation, est souvent exprimée en profondeur d'eau par unité de temps, généralement en millimètres par heure ou en centimètres par heure. Chaque fois que le taux de précipitation est supérieur à la capacité d'infiltration, un ruissellement de surface se produit.

Composition du sol

Composition moyenne du sol. Environ 20% -30% est de l'air et environ 20% -30% de l'eau. Ces deux composants remplissent l'espace interstitiel poreux. Environ 45% du sol est constitué de minéraux, et les cinq derniers pour cent sont formés d'autres matières organiques.

Le sol est composé de particules minérales, de matière organique et d'espace poreux, qui est le vide ou l'espace interstitiel entre les particules du sol. Le volume de particules minérales est d'environ 45 %. Le volume des pores est généralement compris entre 40 et 60 %, selon la texture du sol. Les pores peuvent être remplis d'eau ou d'air et leurs proportions varieront avec le temps.

Le degré auquel les espaces interstitiels sont remplis d'eau détermine les conditions d'humidité du sol.

L'humidité du sol

Conditions types de l'humidité du sol.

Si les espaces interstitiels sont complètement remplis et que l'eau s'écoule librement du sol sous l'influence de la gravité en tant qu'« eau de gravité », alors le sol est dit saturé. Quand l'eau s'écoule du sol, certains pores se remplissent d'air et de vapeur d'eau. Lorsque les pores ne se drainent plus sous l'effet de la gravité, la tension capillaire de l'eau maintient l'eau en place. Certains des pores les plus gros se seront drainés, mais la plupart contiennent encore de l'eau. À cette étape, on dit que le sol se trouve à sa « capacité au champ ».

Si l'eau continue d'être retirée du sol par évapotranspiration, une plus grande partie de l'espace interstitiel se videra d'eau. Lorsque ce processus se poursuit, seule se maintient l'eau étroitement retenue autour des particules de sol. A un certain moment, la tension de l'eau sur la particule du sol devient si forte que l'eau ne peut plus être utilisée par les racines des plantes. C'est ce qu'on appelle le "point de flétrissement".

Animation montrant une pluie uniforme tombant sur deux profondeurs de sol. Le premier échantillon contient un sol presque saturé en eau - ceci est illustré par les espaces de pores entre les particules de sol qui sont ombrés en bleu. Les gouttes de pluie continuent de tomber sur cet échantillon mais commencent rapidement à ruisseler le long de la surface supérieure, car elles ne peuvent pas s'infiltrer dans le sol. Le deuxième échantillon contient du sol qui se trouve à proximité du point de flétrissement - ceci est illustré par l'air occupant la majeure partie de l'espace poreux dans le sol. Lorsque les gouttes de pluie tombent sur cet échantillon, elles s'infiltrent rapidement dans le sol et les espaces des pores se remplissent de bleu.

La quantité de pluie qui peut s'infiltrer dans un volume donné de sol est déterminée par l'espace interstitiel disponible dans le sol.

Par exemple, un volume donné de sol avec le niveau d'humidité du sol à la capacité au champ infiltrera moins de précipitations que le même volume de sol au point de flétrissement. Ainsi, il est très important de connaître les conditions d'humidité du sol lorsque l'on souhaite modéliser le ruissellement d'une averse.

Les types de sol

Illustration de la porosité dans les sols sableux par rapport aux sols argileux

La texture du sol détermine la quantité d'eau retenue pour différentes conditions d'humidité. Les sols de type argileux ont de très petites particules minérales et de très petits pores. Les sols sableux ont des particules minérales plus grosses et donc des espaces poreux plus grands. Bien que cela puisse sembler contre-intuitif, des espaces poreux plus petits dans un sol argileux sont la cause en réalité d'une plus grande quantité d'espace interstitiel total que dans un volume équivalent de sol sableux.

Graphique montrant les conditions d'humidité du sol pour diverses textures de sol

L'argile contient donc un pourcentage plus élevé d'eau à la capacité au champ par rapport aux autres types de texture de sol. Les sols sableux, en revanche, sont composés de particules minérales plus grosses et un espace poreux plus grand, mais ont un pourcentage de porosité plus faible et un pourcentage d'humidité du sol correspondant à la capacité au champ et au point de flétrissement inférieur par rapport à l'argile. Pour des sols à texture sableuse, le sol devient saturé à un pourcentage d'humidité du sol beaucoup plus faible.

Animation comparant la pluie tombant sur deux volumes de sol: un limon sableux et un limon argileux. Les gouttes de pluie bleues tombent uniformément sur les deux échantillons et commencent à s'infiltrer à la surface du sol. La pluie s'infiltre plus profondément dans le sol sableux limoneux, mais selon un conduit vertical relativement étroit. La pluie s'infiltre moins profondément et de manière horizontale plus diffuse dans le volume de limon argileux

Le mouvement de l'eau dans le sol est également influencé par sa texture. Une fois que l'eau s'est infiltrée dans le sol, elle écoule vers le bas. Les sols à texture sableuse permettent un mouvement de l'eau plus rapide que les sols à texture argileuse. Par conséquent, un sol à texture argileuse conservera des conditions d'humidité du sol plus élevées pendant une période plus longue après les précipitations qu'un sol à texture sableuse.

Le ruissellement

Autoroute sous la pluie.

En termes simples, le ruissellement est la partie des précipitations qui ne s'infiltre pas dans le sol. Dans le cas d'une zone goudronnée, le ruissellement attendu serait égal à la quantité de pluie moins l'évaporation et une toute petite quantité de stockage en surface.

Lorsque le sol devient saturé, moins d'infiltration a lieu. Pour des averses identiques, la quantité de ruissellement pluvial variera en fonction des conditions d'humidité du sol.

Graphique illustrant le taux d'infiltration et l'intensité des précipitations au cours du temps

Parfois moins d'infiltration est possible en raison d'une averse précédente. La quantité d'eau qui s'est infiltrée lors d'une averse antérieure augmente l'humidité présente du sol. Cela signifie que le sol ne peut pas absorber autant d'eau que précédemment. Cela se traduit par une diminution du taux d'infiltration et plus de ruissellement de surface dû à la dernière tempête.

Exemple d'hydrogramme. Le temps est représenté en abscisse, l'écoulement ou le débit est donné en ordonnée.

Un graphique d'écoulement est appelé un hydrogramme. La forme de l'hydrogramme est influencée par les caractéristiques de l'averse et du bassin versant. Les caractéristiques des averses comprennent la quantité, la durée, l'intensité et la distribution spatiale des précipitations. Les facteurs du bassin versant comprennent la taille et la forme du bassin, la pente globale du bassin, la topographie, le type de sol, la végétation, le réseau et la configuration de drainage, l'utilisation des terres et l'humidité du sol au moment de l'averse.

Schéma conceptuel montrant les composantes du ruissellement, de l'évaporation, des précipitations, de la transpiration, de l'infiltration, de la percolation, de l'écoulement hypodermique, de l'écoulement de surface, du stockage dans les dépressions comme les lacs, l'écoulement des cours d'eau, les eaux souterraines et le débit de base.

Une question cruciale est de pouvoir déterminer exactement ce qui constitue le ruissellement. L'une des composantes est l'eau que l'on voit couler à la surface du sol. Lorsque l'eau s'infiltre, une partie de l'eau s'écoulera juste sous la surface. C'est ce qu'on appelle l'écoulement hypodermique ou l'écoulement de subsurface. Cette partie des précipitations qui s'infiltre dans les couches inférieures alimente les eaux souterraines. L'écoulement des eaux souterraines vers un cours d'eau ou une rivière est appelé débit (ou écoulement) de base. C'est le débit de base qui soutient le débit des cours d'eau pendant les périodes sans précipitation.

Animation comparant la pluie tombant sur deux volumes de sol: un limon sableux et un limon argileux. Les gouttes de pluie bleues tombent uniformément sur les deux échantillons et commencent à s'infiltrer à la surface du sol. La pluie s'infiltre plus profondément dans le sol sableux limoneux, mais selon un conduit vertical relativement étroit. La pluie s'infiltre moins profondément et de manière horizontale plus diffuse dans le volume de limon argileux

Le débit augmente au cours de la courbe de crue ascendante de l'hydrogramme. Après le débit de pointe, la courbe descendante, ou décrue, se produit. La décrue se poursuit jusqu'à la prochaine averse ou jusqu'à ce que le niveau du cours d'eau revienne à une valeur proche du débit observé avant cette averse. En raison de cette dernière averse, la composante de débit de base peut être légèrement augmentée.

Questions de révision

Les eaux souterraines

Composantes des eaux souterraines : la zone non saturée est colorée en marron et la zone saturée est colorée en bleu. La zone non saturée comprend un cours d'eau, une source, un aquiclude, une nappe phréatique perchée et le tubage d'un puits. La zone saturée est représentée par le débit de base, le niveau de la nappe phréatique, un aquifère et le fond du puits

Les eaux souterraines sont une partie importante du cycle hydrologique et une source d'eau importante pour de nombreuses régions du monde. Parce que l'eau est souterraine, elle n'est pas soumise aux mêmes taux d'évaporation que la surface d'un lac.

Dans cette section, vous apprendrez à :

  • Décrire l'importance des eaux souterraines pour le cycle hydrologique
  • Décrire les caractéristiques des différents types d'aquifères
  • Définir la recharge
  • Décrire les méthodes de recharge naturelles et artificielles
  • Définir le prélèvement et décrire ses effets sur une nappe phréatique

Les sujets de cette section incluent :

  • Les caractéristiques de l'aquifère
  • Le débit spécifique les écoulements
  • La recharge
  • Les prélèvements
  • Questions de révision

Caractéristiques de l'aquifère

Emplacement des eaux souterraines, de la nappe phréatique et des eaux de surface illustrées en coupe transversale. La zone non saturée comprend l'eau du sol et de la zone capillaire. La zone saturée est composée d'un aquifère libre supérieur qui est saturé, d'un aquiclude, qui est une barrière à l'écoulement, et d'un aquifère inférieur captif, qui est également saturé.

Un aquifère est un volume souterrain de roches poreuses et/ou fracturées qui contient de l'eau. L'eau souterraine stockée dans l'aquifère est une partie importante du cycle hydrologique. Les chercheurs estiment que 30 % du débit des cours d'eau provient de sources d'eau souterraine. Globalement, environ la moitié de la population mondiale dépend des eaux souterraines pour l'eau potable.

L'aquifère est composé d'eau, de sol, de l'espace vide dans le sol et de roches sous la surface de la terre. L'eau stockée dans l'espace vide est divisée en deux types généraux : libre et captive. Dans les aquifères libres, les eaux souterraines sont en contact avec l'atmosphère à travers les pores des couches supérieures. La surface de la nappe phréatique est appelée la surface piézométrique. Dans les aquifères captifs, l'eau souterraine est limitée par une couche imperméable ou très peu poreuse appelée aquiclude et n'est pas en contact avec l'atmosphère.

Vers janvier 1994. Ile d'East Timbalier, paroisse de Lafourche, Louisiane. Un étang dans le marais naturel de l'île d'East Timbalier.

Chaque fois que la topographie descend en dessous de la surface de la nappe phréatique, des surfaces d'eau libre comme des lacs, des étangs et des cours d'eau peuvent avoir lieu.

Carte des eaux souterraines du bassin supérieur de la rivière San Pedro, comté de Cochise, AZ

La profondeur de la nappe phréatique peut être cartographiée. Ces cartes illustrent la variabilité de la répartition des eaux souterraines pour un bassin.

Il s'agit d'une carte de la nappe phréatique du comté de Cochise, en Arizona. Cette carte montre une nappe phréatique dont la profondeur varie entre la surface jusqu'à plus de 800 pieds (244 mètres).

Le rendement et le débit d'eau

Une vue agrandie d'un volume de matériau aquifère saturé, avec des gouttelettes d'eau tombant du fond de la boîte contenant ce volume. Les gouttes d'eau qui tombent sous ce volume sont collectées dans un autre volume, plus petit, d'une hauteur de 1,5 unité, soit 0,15 fois la hauteur de la boîte de volume aquifère.

Lorsque la nappe phréatique est abaissée, le matériau aquifère produira un certain pourcentage d'eau. Un coefficient de stockage de 0,15 signifie que 15 % du volume total de matériel aquifère est composé d'eau qui s'écoulera librement par gravité. Le reste du volume (85 % dans cet exemple) est composé d'eau qui ne s'écoule pas par gravité et de matériaux solides tels que roche, sable, gravier ou argile. Cela signifie qu'une baisse de 10 unités de la nappe phréatique sur une zone ne produit pas 10 unités de profondeur d'eau. Elle produit 15 % de ces 10 unités ou 1,5 unité de hauteur d'eau.

Emplacement des eaux souterraines, de la nappe phréatique et des eaux de surface illustrées en coupe transversale. La zone non saturée comprend l'eau du sol et de la zone capillaire. La zone saturée est composée d'un aquifère libre supérieur qui est saturé, d'un aquiclude, qui est une barrière à l'écoulement, et d'un aquifère inférieur captif, qui est également saturé.

Le débit d'eau à travers un aquifère peut varier de 1 000 mètres par jour pour les matériaux de type gravier à des millimètres par an pour l'argile et les matériaux similaires. Parce que le mouvement de l'eau à travers un aquifère est beaucoup plus lent que les eaux de surface, les effets climatiques comme les sécheresses ou les périodes humides peuvent être retardés et atténués.

La recharge

Illustration du mouvement des eaux souterraines.

La recharge est l'introduction d'eau de surface dans les réserves des eaux souterraines comme les aquifères. La recharge ou le réapprovisionnement des réserves d'eau souterraine peut se produire de différentes manières. Le type le plus courant est la recharge naturelle, qui consiste en des précipitations ou d'autres écoulements de surface naturels qui s'infiltrent et percolent vers les réserves d'eau souterraine. La recharge artificielle ou induite concerne les méthodes utilisées pour augmenter les réserves d'eau souterraine au-delà de ce qui se produirait naturellement. Les techniques de recharge artificielle comprennent l'épandage (ou l'inondation), les fossés et les techniques de pompage. Un autre type de recharge est la recharge accidentelle. Il s'agit d'actions telles que l'irrigation et les dérivations d'eau qui s'ajoutent aux réserves d'eau souterraine. La recharge peut également faire référence à la quantité d'eau ajoutée à un aquifère.

Les prélèvements

Influence des eaux souterraines sur le débit des cours d'eau et les effets des prélèvements d'eau. Un cône de rabattement du niveau de la nappe phréatique se forme autour de l'emplacement du forage.

Le prélèvement est l'extraction artificielle des eaux souterraines à travers un puits/forage ou un réseau de puits/forages.

Lorsque les taux de prélèvement d'eau souterraine sont supérieurs à la recharge d'eau par le sol, un abaissement de la nappe phréatique locale se produit. Ce processus est parfois appelé « surexploitation des eaux souterraines ». Un abaissement de la nappe phréatique autour du puits se produit et est appelé « cône de rabattement ». Si cette situation perdure, un abaissement général de la nappe phréatique se produira.

Fissure terrestre près de Picacho, Arizona

La subsidence du sol est l'abaissement de la surface du sol suite à des modifications qui se produisent sous terre. Les causes les plus courantes de subsidence du terrain sont dues aux activités humaines telles que le pompage des eaux souterraines ou le drainage des sols organiques (également appelé hydro-compaction).

Le panneau  de danger de subsidence du terrain a été mis en place pour les automobilistes après qu'une fissure terrestre ait endommagé la rue Snyder Hill dans le comté de Pima, Arizona, 1981.

Lorsque la surface du sol s'abaisse, des problèmes surviennent et peuvent inclure : 1) la modification de l'élévation et de la pente d'un cours d'eau ; 2) les dommages aux infrastructures, telles que les ponts, les routes, les collecteurs d'eaux pluviales, les rues, les égouts, les canaux et les digues ; (3) les dommages aux bâtiments privés et publics; et (4) la défaillance des tubages des forages due aux forces générées par le compactage de matériaux à grains fins dans les systèmes aquifères.

En profondeur : Quel est l'impact de la subsidence des terrains ?

Emplacement approximatif de l'affaissement maximal aux États-Unis identifié par les efforts de recherche du Dr Joseph F. Poland (photo). Les panneaux sur le poteau indiquent l'altitude approximative de la surface terrestre en 1925, 1955 et 1977. Le panneau de 1925 se trouve à environ 9 mètres au-dessus du sol au moment où la photo a été prise. Le site se trouve dans la vallée de San Joaquin au sud-ouest de Mendota, en Californie.

Les signes sur ce poteau indiquent l'altitude approximative de la surface terrestre en 1925, 1955 et 1977. Ce site dans la vallée de San Joaquin au sud-ouest de Mendota, en Californie, a été identifié par les efforts de recherche du Dr Joseph F. Poland (photo) comme l'emplacement approximatif de la subsidence maximale aux États-Unis.

Questions de révision

Manteau neigeux et fonte des neiges

Panorama de montagne près de Saints John Creek, Colorado

La neige et la glace sont des éléments essentiels du cycle hydrologique, en particulier aux latitudes plus élevées ou dans les régions montagneuses. L'eau stockée à l'état congelé est libérée au printemps, fournissant de l'eau pendant le reste de l'année.

Dans cette section, vous apprendrez à :

  • Décrire le rôle critique de la neige et de la glace dans le cycle hydrologique
  • Définir l'équivalent en eau de la neige et identifier les facteurs affectant le taux de fonte des neiges
  • Décrire les étapes clés du processus de fonte de la neige

Les sujets de cette section incluent :

  • Les caractéristiques du manteau neigeux
  • La fonte de la neige
  • Questions de révision

Caractéristiques du manteau neigeux

Neige profonde recouvrant une voiture et une grange dans les montagnes.

Un manteau neigeux est constitué d'un mélange de cristaux de glace, d'air, d'impuretés et, s'il fond, d'eau liquide. La fonte de la neige fournit d'importants volumes d'eau aux réseau des cours d'eau. Le moment, le volume et la vitesse de fonte d'un manteau neigeux dépendent de plusieurs caractéristiques du manteau neigeux, de la topographie locale et des conditions météorologiques. Le domaine de la spécialité de l'hydrologie des neiges se concentre sur ces facteurs.

Carte de contour en couleur de l'équivalent en eau de la neige pour le Canada, le 15 mars 2010.

La caractéristique qui intéresse le plus l'hydrologue est la quantité d'eau contenue dans le manteau neigeux. C'est ce qu'on appelle « l'équivalent en eau de la neige » ou EEN. Les facteurs qui affectent le taux de fonte comprennent la température du manteau neigeux, l'albédo (la propriété réfléchissante de la neige), la densité et le volume du manteau neigeux. La vitesse de fusion est également influencée par des facteurs tels que le vent, l'humidité relative, la température de l'air et l'ensoleillement.

Fonte des neiges

Schéma conceptuel montrant la densité de la couche de neige fraîche de structure cristalline par rapport à une forme plus granulaire des cristaux lorsque la couche est stabilisée.

Le manteau neigeux subit des changements entre le moment où la neige tombe pour la première fois sur le bassin et la fonte des neiges. Les particules de neige individuelles passent du flocon de neige cristallin tombé lors d'une tempête à une forme de glace plus granuleuse à mesure que des facteurs météorologiques et de l'eau liquide entrent en jeu.

Animation qui montre une couche de manteau neigeux reposant sur un volume de sol. Le sol commence à s'assombrir et rapidement de petites gouttes d'eau s'écoulent du fond du bloc de neige. Ces particules s'infiltrent dans le sol sous-jacent et la hauteur de la couche de neige commence à diminuer.

Initialement, la neige à l'intérieur du manteau neigeux se tasse, ce qui entraîne une densité plus élevée. Lorsque le dégel et la fonte commencent à la surface du manteau neigeux, des lentilles de glace peuvent se former. Lorsque le printemps et l'été arrivent dans un bassin, la température de l'air augmente et le manteau neigeux se réchauffe. La température maximale du manteau neigeux ne peut pas dépasser le point de fusion de la glace. Lorsque l'ensemble du manteau neigeux approche cette température, il devient « à maturité » ou isotherme. Lorsque cette condition est remplie, toute énergie supplémentaire ajoutée au manteau neigeux entraînera la fonte de la neige. L'eau liquide est généralement libérée à la base du manteau neigeux. À mesure que le manteau neigeux libère de l'eau, les facteurs de ruissellement augmentent.

Exemple de rendement en eau à partir d'un volume de neige. Un bloc de neige de 10 unités de hauteur, avec une densité de neige de 20%, produit un plus petit volume d'eau qui ne mesure que 2 unités de hauteur.

Le manteau neigeux étant formé de cristaux de glace, il contient un certain volume d'eau. Au fur et à mesure que la neige fond, de l'eau liquide est libérée. La relation entre le volume d'eau liquide ou équivalent en eau de neige (EEN) et l'épaisseur de la neige dépendra de la densité de la neige. Dans tous les cas, la hauteur de la neige sera toujours plus grande que la hauteur équivalente d'eau liquide produite par le manteau neigeux.

Tableau de la densité des différents types de couverture neigeuse.

Après la chute de la neige, sa densité augmente en raison du tassement gravitationnel, du tassement du vent, de la fonte et du regel. Les densités de neige sont souvent exprimées sous la forme d'un rapport entre l'épaisseur de la neige et l'équivalent en eau liquide. Par exemple, une unité de liquide peut égaler 20 unités d'épaisseur de neige pour de la neige fraîche. À mesure que la neige devient plus compactée et vieillie, le rapport diminue.

Le pourcentage de teneur en eau de la neige fraîchement tombée varie d'environ 5 % lorsque la température de l'air est d'environ –10 °C à environ 20 % lorsque la température est de 0 °C.

Schéma conceptuel permettant de comparer les volumes de neige de densités différentes sur les faces au vent et sous le vent pour une chaîne de montagnes de moyenne latitude

Souvent, la neige qui tombe du côté face au vent d'une chaîne de montagnes de latitude moyenne, en particulier les chaînes avec un littoral du côté face au vent, a tendance à être de densité légèrement plus élevée que celle du côté sous le vent.

Par exemple, du côté face au vent de la chaîne de montagnes, le pourcentage d'eau contenue dans le manteau neigeux peut être d'environ 20 à 30 % en hiver et augmenter de 30 à 50 % au printemps. Cependant, du côté sous le vent, la densité du manteau neigeux est généralement moindre, car les conditions météorologiques y sont généralement plus sèches et parfois plus froides. Le pourcentage d'eau contenue dans le manteau neigeux dans cette zone varie de 10 à 20 % en hiver et de 20 à 40 % au printemps.

La relation suivante peut être utilisée pour calculer l'équivalent en eau liquide d'un manteau neigeux, si l'épaisseur de la neige est connue ou peut être estimée :

Épaisseur de neige x rapport neige-eau = équivalent en eau de neige

Par exemple, si l'épaisseur de neige était de 125 centimètres et que le rapport neige-eau était de trois pour un, l'eau liquide estimée dans le manteau neigeux serait :

125 cm de neige x 0,33 = 41,7 cm d'eau liquide

Questions de révision

Résumé

Introduction au cycle hydrologique

  • L'hydrologie est une science de la Terre qui étudie les propriétés de l'eau ainsi que l'occurrence, la répartition et le mouvement planétaires de l'eau.
  • Le cycle hydrologique est le mouvement vertical et horizontal de l'eau sous forme de vapeur, liquide ou solide entre la surface de la terre, le sous-sol, l'atmosphère et les océans.
  • Les éléments clés du cycle hydrologique comprennent :
    • Le stockage:
      • Le stockage de l'eau dans les océans
      • Le stockage de l'eau dans la glace et la neige
      • Le stockage de l'eau sous forme d'eau souterraine dans l'aquifère
      • Le stockage de l'eau sous forme de lacs, d'étangs et de réservoirs d'eau douce
    • L'eau dans l'atmosphère :
      • Condensation
      • Précipitation
      • Évaporation
      • Transpiration
    • L'eau à la surface de la terre :
      • Fonte des neiges
      • Ruissellement superficiel
      • Débit
      • Sources
    • L'eau sous la surface de la terre :
      • Infiltration
      • Humidité du sol
      • Recharge des eaux souterraines
  • Le volume d'eau en tout point d'un système hydrologique peut être calculé comme la différence entre l'entrée et la sortie du système, ce qui entraîne une modification des réserves.

Répartition

  • L'eau dans le cycle hydrologique est stockée sous quatre formes principales :
    • Les océans
    • La neige et la glace
    • Les eaux de surface
    • Les eaux souterraines
  • L'eau de mer contient généralement 35 grammes par litre de solides dissous, beaucoup plus que l'eau douce. L'eau douce contient moins de 0,5 gramme de solides dissous par litre et a de nombreuses utilisations en plus de la consommation.
  • Les manteaux neigeux des montagnes sont une importante source d'eau, en particulier dans les régions arides et semi-arides. Dans certaines régions, la neige représente une part importante des précipitations annuelles.
  • La prévision du ruissellement dû à la fonte des neiges est un processus compliqué qui implique l'estimation des changements de l'équivalent en eau de la neige, ou EEN, du manteau neigeux au cours du temps, les budgets énergétiques et les propriétés d'interface eau souterraine/neige.
  • Le stockage et la répartition des eaux de surface ont lieu dans les lacs, les étangs, les rivières et les cours d'eau et représentent moins de 0,01 % de l'eau de la terre.
  • Les eaux souterraines se trouvent généralement dans l'aquifère, une zone sous la surface de la terre composée de roches non consolidées et de particules de sol.. Cette zone est capable de transmettre et de stocker de l'eau pour l'extraction. Moins de 1 % de l'approvisionnement total en eau de la terre est stocké sous forme d'eau souterraine ou d'humidité du sol.

L'eau atmosphérique

  • Les processus clés dans l'eau atmosphérique comprennent la condensation, les précipitations, l'évaporation et la transpiration.
  • Le processus de condensation libère de l'énergie thermique latente et est nécessaire pour créer des précipitations. Pour la plupart des régions, les précipitations sont le facteur le plus important contrôlant le cycle hydrologique local.
  • Alors que les pluviomètres ont été la méthode traditionnelle de mesure des précipitations, diverses approches doivent être utilisées pour compenser les lacunes dans la couverture et la fiabilité des données. Le radar a l'avantage de fournir des estimations des précipitations en temps quasi réel. Les satellites sont utilisés pour les estimations des précipitations dans les zones sans réseau de radars ou de pluviomètres.
  • L'évaporation est le passage de l'eau d'un état liquide à un état de vapeur. Dans les régions arides, l'évaporation à partir d'une surface d'eau peut atteindre 2 000 mm par an.
  • Diverses techniques de mesure de l'évaporation comprennent :
    • Le bac d'évaporation - les limitations incluent la température de l'eau, la conversion requise pour estimer l'utilisation de l'eau par les plantes et le « paradoxe de l'évaporation du bac ».
    • Les lysimètres – y compris les types à pesée, sans tension et à tension.
    • Les mesures météorologiques basées sur les caractéristiques physiques qui affectent l'évaporation telles que la température de l'air, la température de l'eau, le débit d'air à la surface de l'eau et le déficit hygrométrique.
    • Le déficit hygrométrique - une mesure de la « sécheresse » de l'air, ou de la quantité de vapeur d'eau nécessaire pour saturer l'air.
  • La transpiration est le processus par lequel l'humidité du sol absorbée par le système racinaire d'une plante est finalement évaporée.
  • L'effet combiné de l'évaporation et de la transpiration constitue généralement la plus grande composante de perte du système d'eau du sol. Les plantes telles que les graminées, la végétation arbustive et certaines cultures agricoles ont des périodes de transpiration plus courtes que la végétation forestière. Dans une forêt, les arbres à feuilles caduques transpirent généralement sur une période de temps plus courte que les conifères. Les taux de transpiration des arbres sont généralement parmi les plus élevés de toutes les plantes.

Les eaux de surface

  • L'eau de surface est la partie du cycle de l'eau pendant laquelle l'eau liquide s'écoule à la surface de la terre.
  • L'infiltration est définie comme le mouvement descendant de l'eau à travers la surface du sol dans le profil du sol.
  • Le taux d'infiltration est directement influencé par les caractéristiques physiques du sol, la couverture du sol, la teneur en humidité du sol, la température du sol, le type de précipitation et l'intensité des précipitations.
  • Chaque fois que le taux de précipitation est supérieur à la capacité d'infiltration, un ruissellement de surface se produira.
  • Le sol est composé de particules minérales, de matière organique et de « l'espace poreux », le vide ou l'espace interstitiel entre les particules du sol.
  • Le degré de saturation des espaces interstitiels du sol détermine ses conditions d'humidité.
  • La quantité d'infiltration est limitée par l'espace interstitiel disponible dans le sol. Il est très important de connaître les conditions d'humidité du sol lorsque l'on essaie de modéliser le ruissellement généré par une averse.
  • Le ruissellement est la partie des précipitations qui ne s'infiltre pas dans le sol.
  • Au fur et à mesure que le sol devient saturé, moins d'infiltration aura lieu. Pour des averses identiques, la quantité de ruissellement pluvial variera en fonction des conditions d'humidité du sol.
  • Un graphique d'écoulement est appelé un hydrogramme. La forme de l'hydrogramme est influencée par les caractéristiques de l'averse et du bassin versant.
  • Les parties du ruissellement comprennent l'écoulement de surface, l'écoulement hypodermique, le débit de base et l'écoulement fluvial.

Eaux souterraines

  • L'eau souterraine est une importante source d'eau. Elle n'est pas soumise aux mêmes taux d'évaporation qu'un lac en surface.
  • Les aquifères sont composés d'eau, de sol, d'espaces interstitiels dans le sol et de roches souterraines sous la surface de la terre.
  • Dans les aquifères libres, les eaux souterraines sont en contact avec l'atmosphère à travers les pores des couches supérieures du sol.
  • Dans les aquifères captifs, l'eau souterraine est limitée par une couche imperméable ou très peu poreuse appelée aquiclude et n'est pas en contact avec l'atmosphère.
  • La recharge est l'introduction d'eau de surface dans les réserves des eaux souterraines comme celles d'un aquifère par exemple.
  • La recharge naturelle comprend les précipitations, la neige ou les autres écoulements de surface naturels qui s'infiltrent et rejoignent les réserves d'eau souterraine.
  • La recharge artificielle ou induite compte les moyens d'augmenter les réserves d'eau souterraine au-delà de ce qui se produirait naturellement.
  • Le prélèvement est le pompage artificiel des eaux souterraines à travers un puits ou un réseau de puits. Lorsque les taux de prélèvement d'eau souterraine sont supérieurs à la recharge d'eau dans le sol, un abaissement de la surface piézométrique locale se produit. Cela peut entraîner divers problèmes tels que l'affaissement des terres.

Le manteau neigeux et la fonte des neiges

  • La neige et la glace sont des éléments essentiels du cycle hydrologique, en particulier à des latitudes plus élevées ou dans les régions montagneuses. L'eau stockée à l'état congelé est libérée au printemps, fournissant de l'eau pendant le reste de l'année.
  • « Equivalent en eau de la neige », ou EEN, est la quantité d'eau contenue dans le manteau neigeux.
  • Le taux de fonte du manteau neigeux est affecté par :
    • Température du manteau neigeux
    • Albédo
    • Densité
    • Volume du manteau neigeux
    • Facteurs atmosphériques (vent, humidité relative, température, ensoleillement)
  • Après les premières chutes de neige :
    • Les particules se transforment en une forme granulaire, augmentant la densité du manteau neigeux.
    • À la température de fonte, toute énergie supplémentaire entraîne la fonte des neiges.
    • Les facteurs de ruissellement deviennent importants à mesure que l'eau est libérée.

Ressources supplémentaires

Outils d'estimation des précipitations

Contributeurs

Parrainage COMET

Le programme COMET® est parrainé par le service météorologique national de la NOAA (NWS), avec un financement supplémentaire de :

  • Service Météorologique de l'Armée de l'Air (AFW)
  • Organisation européenne pour l'exploitation des satellites météorologiques (EUMETSAT)
  • Service météorologique du Canada (SMC)
  • Fondation nationale pour l'éducation à l'environnement (NEEF)
  • Système national de satellites environnementaux opérationnels en orbite polaire (NPOESS)
  • NOAA Service d'information sur les données des satellites de l'environnement (NESDIS)
  • Commandement de la météorologie navale et de l'océanographie (NMOC)

Contributeurs au projet

Chef de projet/Conception pédagogique/Rédaction multimédia

  • Andrea Smith — UCAR/COMET

Conseiller scientifique principal

  • Matthew Kelsch — UCAR/COMET

Conseiller scientifique supplémentaire

  • Claudio Caponi — OMM

Conception graphique/interface

  • Brannan McGill — UCAR/COMET
  • Heidi Godsil — UCAR/COMET

Chef de projet senior

  • Dr. Patrick Parrish — UCAR/COMET

Contributeurs initiaux du projet de cours de sciences hydrologiques de base

Chef de projet/Conception pédagogique

  • Lon Goldstein — UCAR/COMET

Conseillers scientifiques principaux

  • Matthew Kelsch — UCAR/COMET
  • Dr. Richard Koehler — UCAR/COMET

Création multimédia

  • Dan Riter — UCAR/COMET
  • Lon Goldstein — UCAR/COMET

Édition/production audio

  • Seth Lamos — UCAR/COMET

Narration audio

  • Dr. Richard Koehler — UCAR/COMET

Conception graphique/interface

  • Steve Deyo — UCAR/COMET
  • Heidi Godsil — UCAR/COMET
  • Lon Goldstein — UCAR/COMET

Tests de logiciels/Assurance qualité

  • Michael Smith — UCAR/COMET
  • Linda Korsgaard — UCAR/COMET

Gestion des droits d'auteur

  • Michael Smith — UCAR/COMET

Équipe d'intégration HTML COMET 2020

  • Tim Alberta — Gestionnaire de projet
  • Dolores Kiessling — Chef de projet
  • Steve Deyo — Graphiste
  • Gary Pacheco — Développeur Web principal
  • David Russi — Traductions
  • Gretchen Williams — Développeur Web
  • Tyler Winstead — Développeur Web

Equipe de traduction française

  • Alexandre Alix — Partenariat Français pour l'Eau (PFE) / French Water Partnership (FWP)
  • Dr. Caroline Wittwer - Consultante en hydrologie opérationnelle / Operational Hydrology Consultant

Personnel COMET, printemps 2010

Réalisateur

  • Dr. Timothy Spangler

Directeur adjoint

  • Dr. Joe Lamos

Administration

  • Elizabeth Lessard, directrice administrative et commerciale
  • Lorrie Alberta
  • Michelle Harrison
  • Hildy Kane
  • Ellen Martinez

Support matériel/logiciel et programmation

  • Tim Alberta, directeur d'équipes
  • Bob Bubon
  • James Hamm
  • Ken Kim
  • Mark Mulholland
  • Victor Taberski, assistant étudiant
  • Christopher Weber, assistant étudiant
  • Malte Winkler

Concepteurs pédagogiques

  • Dr. Patrick Parrish, chef de projet principal
  • Dr. Alain Bol
  • Maria Frostic
  • Lon Goldstein
  • Bryan Guarente
  • Dr. Vickie Johnson
  • Tsvetomir Ross-Lazarov
  • Marianne Weingroff

Groupe de production médiatique

  • Bruce Muller, directeur d'équipes
  • Steve Deyo
  • Seth Lamos
  • Brannan McGill
  • Dan Riter
  • Carl Whitehurst

Météorologues/scientifiques

  • Dr. Greg Byrd, gestionnaire principal de projet
  • Wendy Schreiber-Abshire, chef de projet principal
  • Dr. William Bua
  • Patrick Dills
  • Dr. Stephen Jascourt
  • Matthieu Kelsch
  • Dolorès Kiessling
  • Dr. Arlene Laing
  • David Linder
  • Dr. Elizabeth Mulvihill Page
  • Amy Stevermer
  • Warren Rodie

Écrivain scientifique

  • Jennifer Frazer

Traductions en espagnol

  • David Russi

NOAA/Service météorologique national - Direction de la formation aux décisions sur les prévisions

  • Anthony Mostek, chef de service
  • Dr. Richard Koehler, responsable de la formation en hydrologie
  • Brian Motta, formation IFPS
  • Dr. Robert Rozumalski, coordinateur des ressources scientifiques et de formation SOO (SOO/STRC)
  • Ross Van Til, météorologue
  • Shannon White, formation AWIPS

Météorologues invités du Service météorologique du Canada

  • Phil Chadwick

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