
Une estimation précise du ruissellement provenant de la pluie et de la fonte des neiges est l'un des éléments les plus importants du processus de prévision des crues.
Dans cette section, nous allons définir le ruissellement et introduire quelques termes importants utilisés lors de la discussion du processus pluie-ruissellement. Nous discuterons du ruissellement provenant à la fois de la pluie et de la fonte des neiges et de son lien avec le processus global de prévision hydrologique.
Dans cette section, vous apprendrez à :

Le ruissellement est souvent défini comme la partie des précipitations, de la fonte des neiges et/ou de l'eau d'irrigation qui s'écoule à la surface du sol vers le cours d'eau plutôt que de s'infiltrer dans le sol. Il est parfois appelé ruissellement de surface.
Dans certains cas, cependant, la définition du ruissellement comprend également l'eau qui se dirige relativement rapidement vers le chenal du cours d'eau juste sous la surface du sol. Ce phénomène est parfois appelé écoulement hypodermique ou ruissellement de subsurface, et avec le ruissellement de surface constitue le volume d'eau que les hydrologues appellent généralement ruissellement.

La principale raison d'étudier le processus de ruissellement est d'obtenir une estimation de la quantité d'eau qui se dirige rapidement vers le chenal du cours d'eau. Le ruissellement est la composante la plus importante de la prévision des inondations et peut être constitué d'eau de pluie ou d'eau provenant de la fonte des glaces et de la neige. Les conditions du bassin versant auront un impact sur la proportion de pluie ou de neige qui devient le ruissellement. Une fois que nous connaissons la quantité d'eau qui devrait devenir un ruissellement, d'autres outils tels que l'hydrogramme unitaire peuvent nous aider à estimer le débit résultant dans le cours d'eau.

Il existe trois processus physiques pour le mouvement de l'eau du sol : l'entrée, la transmission et le stockage. L'entrée, également connue sous le nom d'infiltration, se produit à la limite de la surface eau-sol. La transmission est la percolation verticale et horizontale qui peut se produire sur toute la profondeur de la couche de sol. Le stockage peut se produire dans tout le profil du sol et se manifeste par une augmentation de l'humidité du sol.
Les conditions environnementales qui affectent ces trois processus sont globalement divisées en deux grandes catégories : les influences naturelles et les influences de l'activité humaine. Les processus naturels peuvent avoir une variété d'influences, mais l'activité humaine entraîne généralement moins d'eau entrant dans le profil du sol et donc plus de ruissellement à la surface du sol.
Il existe un certain nombre de termes couramment utilisés pour décrire les processus de ruissellement. Présentons brièvement certains de ces termes qui seront traités plus en détail dans les sections suivantes de ce module.
Bassin, bassin de drainage ou bassin versant, sont tous des termes utilisés pour décrire la zone qui contribue au ruissellement. Le ruissellement dans un bassin commence généralement à la ligne de partage des eaux qui marque le périmètre du bassin. Tout ruissellement dans un bassin s'écoule vers un seul point à l'exutoire de ce bassin.

L'écoulement de base, ou ruissellement de base, est l'approvisionnement en eau à long terme qui maintient au moins une partie de l'eau dans le cours d'eau même pendant les périodes sèches prolongées. L'écoulement de base provient de l'eau qui s'est infiltrée dans une zone de stockage profond.
L'infiltration est le mouvement descendant de l'eau à travers la surface du sol. Bien qu'il soit souvent utilisé de manière interchangeable avec percolation, la percolation fait en réalité référence au mouvement de l'eau dans le sol, et l'infiltration fait spécifiquement référence au processus d'entrée d'eau à la surface du sol.
Le ruissellement de surface est le mouvement de l'eau de la surface du sol vers le chenal du cours d'eau.
L'écoulement hypodermique est le mouvement relativement rapide de l'eau sous la surface du sol vers le chenal du cours d'eau, généralement dans les 72 heures suivant l'infiltration de l'eau à la surface. Ce processus a lieu le plus souvent dans les zones à sol profond.
Le ruissellement, parfois appelé ruissellement à réponse rapide, peut faire référence au ruissellement de surface uniquement, mais il s'agit parfois de la combinaison du ruissellement de surface et de l'écoulement hypodermique. Ainsi, il représente généralement le mouvement de l'eau vers le chenal du cours d'eau qui ne fait pas partie de l'écoulement de base.
Le taux d'infiltration est la quantité d'eau capable de pénétrer dans le sol dans une période de temps spécifiée. Il est exprimé en hauteur d'eau par unité de temps, par exemple, 10 millimètres par heure.
La capacité d'infiltration est la limite supérieure du taux d'infiltration. Elle comprend l'infiltration en surface et la percolation et s'exprime en hauteur d'eau par unité de temps, par exemple, 15 millimètres par heure.
Si l'intensité des précipitations est inférieure ou égale à la capacité d'infiltration, aucun ruissellement de surface ne se produit.
Si l'intensité des précipitations est supérieure à la capacité d'infiltration, un ruissellement de surface se produit.
Le ruissellement de surface est égal à l'intensité des précipitations ou de fonte des neiges moins la capacité d'infiltration.
Par exemple, si l'intensité des précipitations augmente à 25 millimètres par heure mais que la capacité d'infiltration reste à 15 millimètres par heure, alors l'intensité des précipitations est supérieure de 10 millimètres par heure à la capacité d'infiltration. Les 10 millimètres par heure qui ne s'infiltrent pas deviennent des eaux de ruissellement.
En termes simples, le ruissellement est la partie de l'eau de pluie, de fonte des neiges ou d'irrigation qui se dirige rapidement vers le cours d'eau _____.
(Choisissez la bonne réponse)
La bonne réponse est b).
Lorsque l'intensité des précipitations est égale à la capacité d'infiltration, _____.
(Choisissez tout ce qui correspond.)
Les bonnes réponses sont a) et d).

Dans cette section, nous décrirons les chemins que l'eau peut emprunter jusqu'à l'exutoire du bassin. Nous examinerons les détails sur le ruissellement de surface, l'écoulement hypodermique et l'eau antécédente. Nous examinerons également les influences du climat, de la géographie et de l'humidité du profil de sol avant l'événement.
Dans cette section, vous apprendrez à :

Il existe deux types de ruissellement de surface qui se produisent pendant les précipitations ou la fonte des neiges.
Le ruissellement de surface par dépassement de la capacité d'infiltration se produit avec un sol qui n'est pas saturé. En fait, le sol peut être assez sec, mais les propriétés du sol ou la couverture du sol ne permettent pas à l'infiltration de faire face à l'intensité élevée des précipitations ou de fonte des neiges.
Le ruissellement sur surfaces saturées se produit lorsque le sol devient saturé et qu'il n'y a plus d'espace pour que l'eau s'infiltre. Cela peut se produire même avec un sol qui permettrait généralement de grandes quantités d'infiltration dans des conditions sous-saturées.
L'écoulement par dépassement de la capacité d'infiltration se produit lorsque l'intensité des précipitations ou de fonte des neiges est supérieur à la capacité d'infiltration. L'eau qui ne peut pas s'infiltrer ruisselle en surface.
Par exemple, si la capacité d'infiltration est de 15 millimètres par heure et l'intensité des précipitations est de 25 millimètres par heure, alors le taux de précipitations dépasse la capacité d'infiltration de 10 millimètres par heure. Ces 10 millimètres par heure deviennent le ruissellement de surface par dépassement de la capacité d'infiltration, même si le sol sous-jacent est sec.
Le dépassement de la capacité d'infiltration est le plus souvent observé avec des pluies intenses de courte durée. Il se produit également le plus souvent dans les zones à forte teneur en argile ou dont la surface a été altérée par la compaction du sol, l'urbanisation ou les incendies.
L'écoulement de surface par dépassement de la capacité d'infiltration est parfois appelé écoulement hortonien ou de Horton.
L'écoulement sur surfaces saturées se produit lorsque les couches du sol sont devenues saturées et que l'eau ne peut plus s'infiltrer.
Il est plus fréquent avec des précipitations de longue durée, faibles à modérées, ou avec la dernière d'une série de précipitations successives et/ou la fonte des neiges.
Par exemple, considérons une tempête qui produit une intensité de précipitations constante de 10 millimètres par heure pendant quatre heures. Après trois heures d'infiltration, le sol devient saturé. Au cours de la quatrième heure, l'intensité des précipitations de 10 mm/h ne peut pas s'infiltrer dans le sol saturé et devient un ruissellement de surface sur surfaces saturées.

Le ruissellement de surface sur surfaces saturées peut se produire partout où le sol est humide. Il est plus fréquent dans les climats humides avec des bassins en pente douce ou plats. Ici, nous observons un champ dont le sol peut généralement absorber une grande quantité d'eau. L'eau stagnante pendant des précipitations relativement faibles suggère que la saturation du sol empêche une nouvelle infiltration d'eau de pluie. Il en résulte l'écoulement de surface sur surfaces saturées.

L'écoulement hypodermique, également connu sous le nom d'écoulement de subsurface, est un écoulement relativement rapide vers le chenal du cours d'eau qui se produit sous la surface du sol. Il se produit plus rapidement que l'écoulement de base, mais généralement plus lentement que le ruissellement de surface. Dans certains cas, l'écoulement hypodermique peut être aussi important que le ruissellement de surface pour prévoir les montées rapides du niveau d'eau dans le cours d'eau. En fait, dans les régions avec des taux d'infiltration élevés et un terrain escarpé, l'écoulement hypodermique peut être le processus dominant par lequel les cours d'eau réagissent rapidement aux précipitations ou à la fonte des neiges.
Ce processus a plus souvent lieu dans les zones de sols humides et profonds. Cependant, une contribution importante de l'écoulement hypodermique peut se produire dans les régions à sol mince lorsqu'une couche imperméable telle que le substrat rocheux se trouve sous la couche de sol de surface qui est plus perméable.

Un processus d'écoulement qui contribue à l'écoulement hypodermique est l'activation de la transmissivité des macropores. Elle se produit lorsqu'un réseau de macropores est activé suite à une infiltration rapide.
Les macropores et les tubes naturels sont des espaces vides dans le sol qui offrent des chemins préférentiels à l'eau pour se déplacer dans la pente descendante. Les racines de plantes en décomposition, les insectes et les animaux fouisseurs et les réactions chimiques entre l'eau et les minéraux du sol sont quelques-unes des façons dont les macropores se forment.
Les réseaux de macropores sont plus probables dans les zones à sols profonds avec des matières organiques importantes. Ainsi, les climats humides sont plus susceptibles d'avoir un écoulement important à travers les réseaux de macropores.

La présence d'une interface sol-roche-mère favorise l'écoulement hypodermique. L'interface sol-roche se produit généralement dans un terrain escarpé où la couche de sol est considérablement plus perméable que la roche sous-jacente. L'eau de pluie ou la fonte des neiges s'infiltre rapidement jusqu'à l'interface de la roche puis se déplace rapidement vers le bas de la pente le long de l'interface.
Parfois, une particularité appelée fragipan (couche limoneuse peu perméable) existe dans le profil de sol. Cette couche a une faible perméabilité, comme la roche ou l'argile, et peut également servir à diriger l'écoulement latéral de subsurface. Les caractéristiques de cette couche peu perméable peuvent exister à des profondeurs relativement faibles et jouer un rôle important dans l'amélioration à la fois de l'écoulement hypodermique et même du ruissellement de surface après la saturation des couches de sol sus-jacent
L'intumescence de la nappe est un autre mécanisme qui contribue au ruissellement.
L'intumescence de la nappe est un processus qui se produit dans les bassins de drainage pentus où la nappe est beaucoup plus proche de la surface à proximité du cours d'eau qu'elle ne l'est dans les parties du bassin plus éloignées du cours d'eau.
L'eau de pluie ou la fonte des neiges atteint le niveau de la nappe près du cours d'eau plus rapidement qu'elle ne le fait plus haut en amont loin du cours d'eau. La nappe commence à s'élever près du cours d'eau plus rapidement qu'elle ne le fait plus loin, créant une intumescence près du cours d'eau. Le gradient entre la crête de la nappe et le chenal du cours d'eau entraîne un écoulement hypodermique plus rapide vers le cours d'eau.
Dans certains cas, l'intumescence de la nappe peut atteindre la surface du sol et contribuer au ruissellement de surface par le mécanisme de ruissellement sur surfaces saturées.
Une partie de l'écoulement hypodermique qui parvient rapidement au cours d'eau ne provient pas nécessairement des précipitations actuelles. Dans ces cas, une quantité considérable d'eau est déjà présente dans les couches du sol et elle est déplacée à mesure que de l'eau nouvelle s'infiltre. L'eau qui apparaît dans le cours d'eau immédiatement après une période de pluie ou de fonte des neiges intense peut provenir d'événements de précipitations antérieures ou d'eau préexistante avant l'évènement. Dans les climats humides, des études ont montré que l'eau antécédente est souvent le plus grand contributeur aux élévations rapides du niveau des cours d'eau.
Quel type de ruissellement de surface est le plus probable avec une pluie intense de 30 minutes ?
(Choisissez la bonne réponse.)
La bonne réponse est b).
Quel type de ruissellement de surface est le plus probable avec 48 heures de pluie douce et régulière dans une forêt ?
(Choisissez la bonne réponse.)
La bonne réponse est a).
Quel type de ruissellement de surface est le plus susceptible de se produire dans une zone plate à végétation dense ?
(Choisissez la bonne réponse.)
La bonne réponse est a).
Quel type de ruissellement de surface est le plus susceptible de se produire dans une zone urbaine ?
(Choisissez la bonne réponse.)
La bonne réponse est b).
L'eau qui existe dans le profil de sol avant un événement pluvieux important peut contribuer au ruissellement en tant qu'«eau antécédente», mais elle ne représente jamais une proportion majeure du ruissellement.
(Vrai ou faux)
La bonne réponse est b).
L'écoulement hypodermique peut être plus important que le ruissellement de surface pour générer une montée rapide des cours d'eau qui sont situés en _____.
(Choisissez tout ce qui correspond.)
Les bonnes réponses sont b) et c).
Les macropores _____l'écoulement hypodermique en fournissant _____ pour que l'eau s'écoule.
(Choisissez la bonne réponse.)
La bonne réponse est b).
L'intumescence de la nappe diminue le débit vers le cours d'eau en bloquant l'écoulement hypodermique.
(Choisissez la bonne réponse.)
La bonne réponse est b).


Les propriétés physiques d'un bassin versant et de ses cours d'eau influencent la quantité et le délai du ruissellement. Ces propriétés peuvent provenir de facteurs naturels et humains.
Dans cette section, vous apprendrez à :

La taille de la zone contributive des précipitations dans un bassin a une influence directe sur le volume total de ruissellement qui s'écoule de ce bassin.
Il n'est probablement pas surprenant que lorsque la pluie tombe de manière uniforme sur un bassin plus grand et un bassin plus petit, le bassin le plus grand produise plus de volume de ruissellement. Toutes choses étant égales par ailleurs, une zone de drainage deux fois plus grande peut générer deux fois plus de volume de ruissellement que son homologue plus petite.

Il est entendu que de nombreuses averses ne couvriront qu'une partie d'un bassin. Ainsi, dans la plupart des situations, le volume de ruissellement sera déterminé par la zone contributive – la partie du bassin couverte par une averse – et non par la taille totale d'un bassin.
De même, considérons deux bassins de forme similaire, l'un étant plus grand que l'autre. Les eaux de ruissellement provenant du point le plus en amont du plus grand bassin emprunteront un chemin plus long et, par conséquent, mettront plus de temps à atteindre l'exutoire du bassin que les eaux de ruissellement venant du point le plus éloigné du plus petit bassin. De plus, un seul orage n'affectera probablement qu'une partie du grand bassin à un moment donné, mais il pourrait couvrir l'ensemble du petit bassin.
La forme du bassin a également une influence sur l'amplitude et le délai du débit de pointe à l'exutoire du bassin.
Considérons deux bassins de surface égale où l'un est allongé et étroit, et l'autre est plus arrondi. Considérez ensuite les eaux de ruissellement se déplaçant du point le plus éloigné de chaque bassin vers leurs exutoires respectifs. Le ruissellement dans le bassin arrondi arrivera plus rapidement à l'exutoire du bassin.
De plus, l'eau provenant de plusieurs endroits dans ce bassin a des chances d'arriver à l'exutoire en même temps, ce qui entraîne un débit de pointe plus important. En revanche, dans un bassin allongé et plus étroit, l'eau de plusieurs endroits a moins de chance d'arriver en même temps.

Les méandres des cours d'eau augmentent la distance que l'eau doit parcourir d'amont en aval.
Considérons un bassin avec des cours d'eau sinueux. Si tous les méandres étaient supprimés, la distance parcourue par l'eau dans le cours d'eau diminuerait. Cela réduirait le temps nécessaire à l'eau pour atteindre l'exutoire. Cela réduirait également le temps pendant lequel l'eau peut s'infiltrer dans le sol par le fond du cours d'eau.
Les méandres augmentent le temps de déplacement des eaux de ruissellement à travers le bassin et peuvent réduire le volume global d'écoulement dans le cours d'eau.
RESSOURCES SUPPLÉMENTAIRES :
Pour plus d'informations sur la formation des caractéristiques du paysage comme les méandres des cours d'eau, consultez le module de géomorphologie fluviale du State University of New York College of Environmental Science and Forestry (SUNY ESF) http://staticweb.fsl.orst.edu/ fgmorph/fgmorph/
La pente d'un bassin affecte la quantité et le délai du ruissellement.
Au fur et à mesure que la pente du terrain augmente, plusieurs facteurs entrent en ligne de compte. En premier lieu, le contact de l'eau avec la surface n'est plus perpendiculaire. Avec la pente du terrain, la gravité n'attire plus l'eau directement dans le sol, donc une plus grande proportion d'eau est susceptible de contribuer au ruissellement de surface.
Un autre facteur est le mouvement de l'eau à travers la surface du terrain. À mesure que le sol devient de plus en plus escarpé, l'eau se déplacera plus rapidement et sera moins de temps en contact avec la surface du sol, réduisant ainsi le temps pendant lequel elle pourrait s'infiltrer.

La quantité de sédiments transportés par l'écoulement est également importante. L'érosion se produit lorsque l'eau emporte les sédiments de la surface du sol. Bien qu'elle dépende du type de sol et de la couverture végétale, l'érosion augmente généralement avec l'augmentation de la pente. Avec des quantités plus importantes de sédiments dans l'eau, les pores à la surface du sol dans lesquels l'eau pourrait normalement pénétrer peuvent se colmater, ce qui réduit l'infiltration.
En général, plus la pente du relief et les chenaux de drainage sont raides, plus la réponse du débit est rapide et plus les débits de pointe sont élevés.


La « rugosité » du chenal d'un cours d'eau augmente en raison de la présence de roches, de végétation et de débris. Canaliser un cours d'eau en modifiant sa surface, comme l'enlèvement de la végétation et le revêtement du lit du cours d'eau avec du béton réduira la rugosité. Le facteur de rugosité a un impact direct sur la vitesse à laquelle l'eau se déplacera dans le chenal et sur la hauteur de pointe de crue. L'équation de Manning est souvent utilisée en hydrologie pour tenir compte du facteur de rugosité.
Plus la rugosité est grande, plus l'écoulement est turbulent. Un écoulement plus turbulent entraîne un ruissellement et des vitesses d'écoulement plus lents. Cela laisse plus de temps à l'infiltration, et il en résulte également une onde de crue plus large avec des débits de pointe plus faibles que dans les situations de ruissellement rapide.
Inversement, la réduction de la rugosité du canal entraîne des vitesses d'écoulement plus rapides et des débits de pointe plus importants.
RESSOURCES SUPPLÉMENTAIRES :
Reportez-vous au module Propagation des écoulements, Section quatre : Propriétés du cours d'eau et équation de Manning pour plus d'informations sur l'équation de Manning.
La densité de drainage est la longueur de toutes les sections des cours d'eau dans le bassin divisée par la superficie du bassin. La densité de drainage est l'une des caractéristiques les plus importantes pour évaluer le ruissellement potentiel.
Un bassin versant avec un grand nombre d'affluents a une densité de drainage plus élevée qu'un bassin avec très peu d'affluents. Une densité de drainage plus élevée permet au paysage de se drainer plus efficacement après une averse. Un drainage plus efficace signifie que l'eau se déplace plus rapidement dans les cours d'eau et les ruisseaux, ce qui augmente les débits de pointe des averses et les rend plus précoces.
Un bassin avec une densité de drainage plus faible indique généralement un sol profond et bien développé. Dans ce cas, l'eau s'infiltre plus facilement dans le sol plutôt que de ruisseler en surface et d'entrer dans le réseau des cours d'eau.

L'urbanisation entraîne généralement des altérations des surfaces naturelles du sol et des lits des cours d'eau d'un bassin. La perméabilité de surface, la taille du bassin, la densité de drainage, la rugosité, la longueur et la pente des cours d'eau peuvent tous être affectés de telle sorte que le ruissellement est augmenté et plus rapide.

Dans les zones urbaines, la couverture des chaussées et des bâtiments plus importante ainsi que les sols compactés empêchent l'infiltration des précipitations et de la fonte des neiges par rapport à la surface naturelle du sol. Ces modifications peuvent augmenter considérablement l'importance du ruissellement.

Les spécificités urbaines comme les remblais routiers et les talus peuvent avoir pour effet de diviser les bassins naturels en sous-bassins plus petits. Les petites surfaces de drainages réagissent beaucoup plus rapidement aux précipitations localisées que les grands bassins.

Les réseaux routiers, les fossés et les égouts pluviaux agissent comme un réseau d'affluents et augmentent effectivement la densité de drainage. Une densité de drainage plus élevée entraîne un ruissellement plus rapide vers les chenaux des cours d'eau.
Comparativement au lit d'un cours d'eau naturel, les surfaces des routes, les caniveaux et les égouts pluviaux ont des surfaces lisses. Cette diminution de la rugosité de leurs surfaces permet aux eaux de ruissellement de se déplacer beaucoup plus rapidement vers les chenaux principaux du cours d'eau qu'elles ne le feraient dans un cadre plus naturel.

Les cours d'eau dans les zones urbaines sont souvent nettoyés de la végétation et sont parfois revêtus de béton lors d'un processus appelé « canalisation ». Cette transformation diminue également la rugosité et provoque une augmentation de la vitesse de l'eau.

Parfois, dans le cadre de la canalisation, les cours d'eau urbains sont corrigés en supprimant les méandres. Cette action diminue la distance parcourue par l'eau entre l'amont et l'aval du bassin de drainage. Elle augmente également de fait la pente car le cours d'eau conserve la même diminution d'altitude mais sur une distance plus courte. La diminution de la distance parcourue et l'augmentation de la pente entraîneront une réponse plus rapide aux crues dues au ruissellement.
Dans l'ensemble, un environnement urbain entraînera un ruissellement plus rapide et plus important vers les cours d'eau qu'en milieu rural.
Le ruissellement est généralement plus efficace (c'est-à-dire qu'il est plus rapide et plus important) lorsque _____.
(Choisissez tout ce qui correspond.)
Les bonnes réponses sont a) et d).
Les caractéristiques du sol d'un bassin ont des influences très fortes sur le caractère du ruissellement. Il faut non seulement tenir compte de la texture du sol, mais également d'autres caractéristiques importantes, notamment la couverture de surface, la profondeur des couches imperméables et les altérations du sol dues à l'activité humaine ou à des événements naturels.
Dans cette section, vous apprendrez à :

La texture du sol est classée selon la taille des particules. L'argile a la plus petite taille de particule et d'espace interstitiel, suivie par le silt, puis par le sable avec les particules de plus grande taille. La texture du sol est très importante pour anticiper l'infiltration, le mouvement et le stockage potentiels de l'eau du sol.

Le triangle des sols de USDA, basé sur le triangle des sols de la FAO, est un outil de référence qui permet de classer le sol en fonction de la composition de ses textures. Par exemple, si vous prenez un échantillon de sol et déterminez qu'il contient environ 40 % de silt, 40 % de sable et 20 % d'argile, nous pouvons déterminer que la classification du sol est un « limon ».
EN PROFONDEUR : PROCESSUS DE FORMATION DU SOL

La formation du sol est le résultat de nombreux processus naturels. Les sols se développent généralement de telle sorte que les couches supérieures présentent le plus fort impact de la végétation et de l'altération (les horizons O et A), tandis que les couches inférieures (l'horizon C) sont moins influencées par les plantes et l'altération.
Le climat est le facteur le plus déterminant dans la formation du sol, car il affecte directement l'altération de la matière initiale et est essentiel pour l'activité biologique.
D'autres influences naturelles de la formation du sol comprennent le type et les espèces de végétation, la géologie locale, l'activité biologique, les réactions minérales et la topographie du bassin versant. Ces influences affecteront la quantité de pluie ou de fonte des neiges qui pénétrera dans le sol et la façon dont elle se déplacera ou sera stockée dans le sol.

Le sol peut être composé d'un ou plusieurs types de textures de sol. Lorsque le sol contient un grand pourcentage de sable, l'infiltration et le drainage de l'eau se produisent plus rapidement en raison du plus grand espace interstitiel. Un tel sol peut absorber des taux relativement élevés de précipitations ou de fonte des neiges.

Les sols avec un pourcentage relativement élevé d'argile auront un espace interstitiel plus faible et par conséquent des taux d'infiltration plus bas. Donc, les sols avec prédominance d'argile sont moins capables d'absorber des intensités de précipitations élevées.

La taille des particules (granulométrie) du silt se trouve entre celles du sable et de l'argile. Les sols avec un pourcentage élevé de silt auront des taux d'infiltration et de drainage plus élevés que l'argile, mais cependant moins élevés que le sable.
Par conséquent, les sols argileux peuvent entraîner un ruissellement en surface plus important que les sols sableux ou silteux lors de pluies intenses ou d'une fonte des neiges rapide. Le sol sableux produira généralement moins de ruissellement en surface.
Les informations sur la texture du sol peuvent aider à anticiper le stockage potentiel de l'eau et le ruissellement. Gardez à l'esprit, bien entendu, qu'il est toujours important de tenir compte des spécificités de la situation comme la teneur en eau du sol et l'intensité des précipitations ou la fonte des neiges.
Par exemple, si le sol est saturé comme indiqué ici, le ruissellement en surface se produira quelle que soit la texture du sol.

Bien que cela puisse sembler contre-intuitif, les petits espaces interstitiels de l'argile s'ajoutent pour aboutir à un volume de vide plus important que le petit nombre de grands espaces interstitiels du sable. Par conséquent, en cas de pluie fine ou de fonte lente des neiges, l'argile peut retenir plus d'eau que le sable.
Cependant, l'eau s'écoule plus lentement dans les sols argileux que dans les sols sableux. Ainsi, lors d'une succession d'épisodes pluvieux, les sols argileux peuvent rester saturés entre les averses et donc produire plus de ruissellement lors des événements pluvieux ultérieurs.

Le profil du sol fournit des informations sur la profondeur de la roche-mère ainsi que sur les discontinuités dans les caractéristiques du sol. Les discontinuités comprennent, entre autres, les changements verticaux des propriétés du sol et de sa perméabilité.
La profondeur jusqu'au substratum peut varier considérablement même dans des zones restreintes. Dans les vallées fluviales au sol riche, la profondeur de la roche peut être de minimum 200 centimètres. En revanche, la profondeur du sol dans d'autres zones, comme les régions montagneuses, peut être inférieure à 25 centimètres.

En général, les zones de plus grande profondeur de sol auront une plus grande capacité d'absorption et de stockage de l'eau. Ces zones seront aussi probablement plus propices à l'écoulement hypodermique. En revanche, les zones de sol peu profondes sont généralement saturées plus rapidement et produisent plus de ruissellement pour les mêmes conditions de sol et de précipitations.

Une autre caractéristique importante du profil de sol tient dans la présence de couches imperméables ou peu perméables dans le profil (aussi dénommée fragipan). Par exemple, considérons une couche d'argile et de roche peu perméable sous une couche superficielle de sol sableux. Les précipitations ou la fonte des neiges dans cette zone peuvent s'infiltrer rapidement dans la couche supérieure de sable, mais ne percoler que très lentement à travers la couche plus imperméable du profil. Cela peut entraîner une augmentation à la fois du ruissellement et de l'écoulement hypodermique dans cette zone. Certaines zones peuvent également compter des couches minérales imperméables, comme des dépôts de carbonate de calcium.

Enfin, l'activité biologique et chimique du sol peut produire des macropores. Rappelons que ces tubes naturels et espaces vides améliorent à la fois la vitesse et le volume d'eau qui peut se déplacer verticalement et horizontalement à travers le profil du sol.


Les propriétés de surface du sol peuvent avoir une influence prépondérante sur le ruissellement dans certaines régions. Si l'eau est incapable de s'infiltrer à la surface du sol, les caractéristiques du profil du sol sous-jacent deviennent sans importance. Les matériaux de surface imperméables, la compaction du sol, la déforestation et les incendies sont des facteurs qui affectent l'infiltration dans le profil du sol.

Couvrir les surfaces du sol avec des matériaux imperméables comme le béton et l'asphalte signifie que moins d'eau peut s'infiltrer. De plus, à mesure que le sol devient plus compact, l'infiltration, la percolation et le stockage de l'humidité du sol diminuent. En général, l'activité humaine a pour conséquence de diminuer l'infiltration et le stockage et ainsi d'augmenter le ruissellement de surface.

La déforestation peut avoir un impact sur l'infiltration et le ruissellement. Sans matière végétale en surface, l'eau se déplacera plus rapidement. Cela signifie que l'eau aura moins de temps pour s'infiltrer dans le sol. De plus, l'eau de ruissellement des zones déboisées sera probablement plus chargée en sédiments. La charge de sédiments peut occuper de l'espace dans le chenal du cours d'eau qui serait autrement disponible pour un débit plus élevé. Ainsi, les zones déboisées sont davantage propices à produire un ruissellement accru avec une importante charge en sédiments dans les chenaux des cours d'eau.

Les incendies sont un type de déforestation qui peut avoir des conséquences plus graves sur le ruissellement ultérieur. En plus des problèmes typiques de déforestation, les incendies peuvent altérer la surface du sol et le rendre temporairement hydrophobe, c'est-à-dire incapable d'absorber l'eau. Ceci est particulièrement noté dans les zones de forêt de pins car les huiles et les résines des arbres se vaporisent et imprègnent le sol. Cette action crée une couche hydrophobe à ou près de la surface. La gravité du ruissellement et de la charge en sédiments peut souvent être constatée par l'affouillement des troncs d'arbres et les dépôts alluviaux laissés après le passage des crues.
Comparativement aux sols sableux, les sols argileux sont plus susceptibles de _____.
(Choisissez tout ce qui correspond.)
Les bonnes réponses sont b) et c).
L'écoulement de surface par dépassement de la capacité d'infiltration est plus probable lors de pluies intenses avec _____.
(Choisissez la bonne réponse.)
La bonne réponse est a).
La saturation du profil de sol se produit plus rapidement avec _____.
(Choisissez tout ce qui correspond.)
Les bonnes réponses sont a) et c).
La déforestation n'entraîne généralement pas _____.
(Choisissez la bonne réponse.)
La bonne réponse est d).

Divers modèles, du plus simple au plus complexe, ont été développés pour analyser et prédire les facteurs impliqués dans le ruissellement. Le choix d'un modèle spécifique dépend du type d'informations requises et de la manière dont les résultats doivent être utilisés.
Le nombre et les types d'hypothèses au sein d'un modèle, les types de données nécessaires et le niveau de complexité sont des facteurs importants lors du choix du modèle à utiliser.
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À un niveau très élémentaire, un modèle simple de ruissellement des précipitations pourrait uniquement calculer la quantité de pluie s'échappant d'une surface dure. Un exemple serait si nous observions un parking revêtu de béton ou d'asphalte. Comme il n'existe aucune zone non revêtue, l'infiltration ne pourrait avoir lieu. La quantité de ruissellement du parking serait à peu près égale à la quantité de pluie qui est tombée. Ou, dit d'une autre manière, l'entrée serait simplement les précipitations et la sortie serait le ruissellement.

L'une des situations hydrologiques les plus simples à modéliser est le débit maximum de pointe sur une petite zone (moins d'environ 80 hectares). La méthode rationnelle estime uniquement le débit de pointe en utilisant l'intensité des précipitations, la superficie et un facteur d'utilisation des terres. Notez qu'en utilisant cette méthode, il n'y a pas de délai associé au débit de pointe
L'équation est :
Débit de pointe = C*I*A où :

La valeur de C est identifiée à l'aide d'un tableau répertoriant les types d'utilisation des terres.
La méthode rationnelle est utilisée pour calculer le ruissellement de pointe à partir de zones de faible surface comme les parkings, les terres cultivées ou les parcs publics. Elle est principalement utilisée dans les petits bassins où la couverture des surfaces imperméables est importante.
Cette méthode ne fournit aucun moyen fiable de rendre compte de l'infiltration.

Alors que les modèles hydrologiques simples sont limités par des hypothèses et des calculs, les modèles plus complexes permettent de mieux se rapprocher des différentes composantes du cycle hydrologique. Sur ce diagramme, nous pouvons remarquer qu'un modèle hydrologique peut prendre en compte un ensemble complexe de facteurs naturels et anthropiques.
Dans ce modèle, nous observons l'apport et le mouvement de l'eau à travers un système hydrologique idéal.

L'approche la plus simple pour une modélisation plus complexe du ruissellement d'un bassin versant s'appelle la méthode « globale ». Ce type de modèle hydrologique considère une zone de drainage donnée comme une unité unique et utilise des données d'entrée hydrologiques et météorologiques moyennes par bassin. Le résultat d'un modèle global est généralement un hydrogramme à l'exutoire du bassin.
Un exemple d'un modèle global actuellement utilisé aux États-Unis est le modèle de calcul de l'humidité du sol de Sacramento appelé SACSMA, qui est un modèle de calcul continu spatialement globalisé. Ce modèle continu utilise les précipitations moyennes du bassin, l'évaporation, la température, la topographie du bassin et les caractéristiques du sol comme données d'entrée. Les sorties comprennent le ruissellement direct, le ruissellement de surface, l'écoulement de base, l'écoulement hypodermique et l'évapotranspiration.
Continu signifie que les variables du modèle qui prennent en compte l'humidité du sol sont mises à jour quotidiennement. Cela permet la création d'une condition continue du modèle de l'humidité du sol.
Le modèle SACSMA est parfaitement adapté à la simulation de grands bassins hydrographiques de plus de 1 000 kilomètres carrés. Étant donné que le modèle simule le ruissellement pluvial ainsi que l'écoulement de base, il est également utile pour estimer l'alimentation en eau. Les données d'entrée supplémentaires de ce modèle prennent en compte la localisation d'importants éléments du bassin comme les réservoirs, les lacs et les confluences de cours d'eau.
Dans le passé, les méthodes de modélisation globale étaient nécessaires en raison des méthodes de collecte de données et des limitations des logiciels. Les modèles globaux sont toujours utiles pour produire des conseils sur les crues. Ils nécessitent moins de données d'entrée et moins de puissance de calcul que les méthodes plus modernes. Cependant, à mesure que de nouvelles technologies géospatiales deviennent disponibles, les modèles globaux sont remplacés par des méthodes utilisant des informations spatialisées plus détaillées pour examiner le bassin à une échelle plus fine.

La modélisation semi-distribuée est une variante de la méthode globale et elle est parfois appelée approche « pseudo-distribuée ». Dans cette approche, le bassin est décomposé en sous-bassins plus petits. Les quantités de ruissellement calculées avec des méthodes comme l'hydrogramme unitaire sont utilisées pour estimer le débit de chacun de ces sous-bassins. Ces volumes de ruissellement sont ensuite acheminés vers l'aval pour estimer le débit sortant du plus grand bassin à l'exutoire.
Le Unified River Basin Simulator, ou URBS, est un modèle semi-distribué Pluie-Débit-Propagation qui est répandu et actuellement utilisé dans une grande partie de l'Australie et qui a été utilisé pour la vallée du fleuve Mékong ainsi que dans diverses activités de recherche à travers le monde. Les paramètres déduits et supposés du modèle sont définis au niveau du sous-bassin et les débits d'entrées sont pondérés. URBS peut être utilisé comme un modèle événementiel qui oblige l'utilisateur à entrer les précipitations stockées dans le bassin ou le sous-bassin avant que le ruissellement ne se produise, ou il peut être exécuté en mode continu et couplé à d'autres modèles externes de perte de ruissellement.
Le modèle HBV de l'Institut météorologique et hydrologique suédois est un autre modèle continu répandu qui peut être exécuté en tant que modèle global ou semi-distribué. Il a été utilisé dans diverses activités de recherche à travers le monde et peut être utilisé pour la prévision des crues, les simulations de crues de projet et l'estimation des nutriments.

Une approche de modélisation véritablement distribuée est une approche qui représente les processus à travers des éléments de modèle distincts à haute résolution. Cela peut être effectué de manière maillée, ou à travers des sous-bassins plus petits, des plans d'écoulement, des réseaux triangulaires irréguliers ou des unités de réponse hydrologique. Cette approche fournit des prévisions détaillées en de nombreux points d'un bassin. Par souci de simplicité, nous examinerons ici le concept de modélisation distribuée selon l'approche en réseau de mailles.
Avec ce type d'approche, chaque cellule a des paramètres permettant ses propres estimations de débit. Le débit à n'importe quel point du maillage peut être estimé mathématiquement. Un inconvénient de la modélisation distribuée vient du fait que des données d'entrée supplémentaires sont requises pour chaque cellule. Si ces données ne sont pas disponibles, elles doivent en quelque sorte être estimées, en introduisant un facteur d'incertitude.

Ci-dessus, nous observons les données de précipitations et de ruissellement du maillage d'un bassin. Très peu de pluie est tombée sur la partie supérieure du bassin. Il n'y a pas de réponse du ruissellement au point A. De faibles quantités de pluie sont tombées au milieu du bassin, donc le ruissellement montre une légère réponse au point B.
Les pluies les plus abondantes sont tombées dans la partie inférieure du bassin entraînant un débit de pointe important et rapide au point C.
Une simulation globale pour ce bassin ne montrerait que les effets moyens sur l'ensemble du bassin. Elle sous-estimerait le début de pointe au point C et le délai au point C serait faussement retardé.
Le modèle distribué, cependant, est capable de saisir la variabilité spatiale des précipitations et de produire une simulation plus raisonnable au point C ainsi que des estimations de débit aux points A et B.

Dans cette illustration, nous voyons les vecteurs de débit vers l'aval pour chaque cellule. Des paramètres et des équations basés sur la physique sont utilisés pour transporter les débits d'une cellule à l'autre jusqu'à l'exutoire.
Gardez à l'esprit que cela représente une estimation de la trajectoire du ruissellement. Nous observons que certaines parties du bassin ne sont pas prises en compte dans la conversion vers la représentation du maillage. Dans le même temps, d'autres zones qui se trouvent réellement à l'extérieur du bassin sont incluses dans la zone maillée.
L'ancien Institut d'hydraulique danois, un groupe de conseil international à but non lucratif opérant sous le nom de DHI, a développé une suite de modèles qui simulent de nombreux processus hydrologiques en fonction des besoins. MIKE 11, le modèle pluie-débit, peut être exécuté à plusieurs niveaux de complexité, en fonction des besoins et des données disponibles. Il peut être exécuté en mode global qui simule uniquement les ruissellements de surface, écoulement hypodermique et écoulement de base ou il peut être exécuté en mode entièrement distribué qui simule le ruissellement, les écoulements hydrologiques et hydrauliques et d'autres processus comme les échanges nappe-rivière. Il existe des types de modèles pluie-débit intermédiaires qui incluent une approche de modélisation évènementielle, aussi bien qu'une fonction de calcul de l'humidité du sol et une fonction semi-distribuée. Ceux-ci et divers autres outils de modélisation de l'eau de DHI sont répandus dans le monde à la fois pour les activités de prévision opérationnelle ainsi que pour la recherche. Pour plus d'informations, veuillez consulter le site Web de DHI : http://www.mikebydhi.com
Les modèles hydrologiques distribués sont toujours plus répandus et deviennent spatialement complexes au fur et à mesure que des technologies comme le radar Doppler, les systèmes de positionnement global (GPS) et les systèmes d'information géographique (SIG) sont de plus en plus utilisées dans la création de bases de données géoréférencées et maillées.
Les modèles globaux ne peuvent pas prendre compte les détails de la distribution des précipitations et les caractéristiques topographiques du bassin.
(Vrai ou faux.)
La bonne réponse est a).
Par rapport aux modèles globaux, les modèles distribués _____.
(Choisissez tout ce qui correspond.)
Les bonnes réponses sont a) et d).
Les modèles semi-distribués peuvent fournir plus de détails sur le ruissellement potentiel que les modèles globaux en _____.
(Choisissez la bonne réponse.)
La bonne réponse est c).
La méthode rationnelle pour estimer le ruissellement utilise un coefficient de ruissellement, C, qui serait ____ pour un centre commercial plutôt que pour une parcelle boisée.
(Choisissez la bonne réponse.)
La bonne réponse est a).
Le programme COMET® est parrainé par le service météorologique national de la NOAA (NWS), avec un financement supplémentaire de :