Théorie de l'hydrogramme unitaire : édition internationale

Introduction à l'hydrogramme unitaire

Un hydrogramme unitaire montre la variation temporelle de l'écoulement, ou du débit, par unité de ruissellement. En d'autres termes, comment le débit d'un cours d'eau sera affecté au fil du temps par l'ajout d'une unité de ruissellement. L'hydrogramme unitaire est un outil utile dans le processus de prévision de l'impact des précipitations sur l'écoulement du cours d'eau.

Dans cette section, vous apprendrez à :

  • Expliquez pourquoi nous avons besoin d'hydrogrammes unitaires
  • Décrire comment la théorie des hydrogrammes unitaires est utilisée comme outil de prévision du ruissellement
  • Définir certains des composants fondamentaux d'un hydrogramme unitaire

Pourquoi avons-nous besoin d'un hydrogramme unitaire ?

Logigramme des étapes du processus de prévision des crues

Le rôle de la théorie des hydrogrammes unitaires dans le processus de prévision des crues est de fournir une estimation du débit en fonction d'une quantité de précipitations.

Une fois que nous savons la quantité de pluie ou de fonte des neiges produite, ou est susceptible de se produire, et que nous avons une idée de la quantité qui se transformera en ruissellement, nous devons encore savoir comment le débit d'un cours d'eau sera affecté au fil du temps par ce ruissellement. L'hydrogramme unitaire nous fournit un moyen d'estimer cela et fait partie intégrante de nombreux systèmes de modélisation hydrologique.

Précipitations moyennes dans le bassin ?

Représentation montrant un pluviomètre avec 4 centimètres de pluie bleue à l'intérieur. Une vue de dessus (ou en plan) correspondante d'un bassin est indiquée en bleu pour montrer que cette eau est répartie uniformément sur l'ensemble du bassin.

Dans des situations typiques sans neige, nous commençons le processus de prévision hydrologique avec les précipitations. En particulier, nous partons d'une pluviométrie moyenne par bassin. Cela nous indique simplement combien de pluie est tombée ou devrait tomber sur un bassin donné et prend généralement la forme d'une hauteur de pluie par unité temps. Dans la théorie de l'hydrogramme unitaire, nous supposons que ces précipitations sont uniformément réparties dans le bassin.

Excédent de précipitations moyennes dans le bassin

Représentation de la pluie nette moyenne du bassin montrant le pluviomètre avec les 3 premiers centimètres d'eau en bleu et le centimètre supérieur supplémentaire ou « excès » d'eau en rose. La vue de dessus correspondante du bassin est  indiquée en rose pour montrer sa répartition.

À partir de là, nous devons savoir la quantité de précipitations moyennes du bassin qui deviendra du ruissellement. Dans la théorie de l'hydrogramme unitaire, le ruissellement est souvent appelé « excédent de précipitations » ou « excédent de pluie ». Les modèles de ruissellement issus des pluies fourniront généralement une estimation de ce qui devient un excédent de pluie.

Ainsi, par exemple, si 25 % des précipitations moyennes dans un bassin d'une hauteur de 4,00 cm deviennent des excédents de précipitations, nous aurons alors une pluie nette moyenne dans le bassin de 1,00 cm.

Ruissellement à réponse rapide (pur ou réel) et débit de base

Une partie des précipitations s'infiltre dans le sol et s'infiltre jusqu'à un stockage à long terme. Cela contribue au débit (ou à l'écoulement) de base. Le débit de base est la partie de l'écoulement qui réagit lentement aux variations des précipitations. Le débit de base représente la partie de l'écoulement qui maintient l'eau dans les cours d'eau pendant les périodes sèches.

Parmi les précipitations restantes, une partie s'évapore, une partie est stockée dans des lacs et des réservoirs, et le reste se dirige rapidement vers le cours d'eau, le long de la surface ou immédiatement sous la surface. Il s'agit de l'excédent de pluie, ou ruissellement à réponse rapide (pur ou réel). Le ruissellement à réponse rapide (pur ou réel) est parfois appelé ruissellement direct ou flux rapide.

L'hydrogramme unitaire représente l'excédent de pluie ou le ruissellement à réponse rapide (ou pur ou réel.)

Conversion des eaux de ruissellement en écoulement des cours d'eau

exemple d'hydrogramme unitaire pour un bassin de taille moyenne, montrant une augmentation et une diminution soudaines du débit sur une période de 192 heures

Nos informations sur les précipitations et le ruissellement ne nous fournissent qu'une estimation de la quantité d'eau qui parvient rapidement au chenal du cours d'eau. L'hydrogramme unitaire fournit une estimation du débit résultant, ou débit.

Par exemple, si notre unité est d'un centimètre, l'hydrogramme unitaire fournira une estimation du débit à partir de 1,00 cm de précipitations excédentaires. De nombreux pays développent des hydrogrammes unitaires basés sur 1,00 mm de précipitations excédentaires. Le concept est le même.

Questions de révision

Question 1

Un hydrogramme unitaire est défini comme un hydrogramme qui résulte _________ sur une durée spécifiée.
(Choisissez la meilleure réponse.)

La bonne réponse est a).

une unité d'excédent de précipitations (ou pluie nette)

Veuillez faire une sélection.

Question 2

L'hydrogramme unitaire est un outil du processus de prévision des débits qui _____.
(Choisissez la meilleure réponse.)

La bonne réponse est c).

L'hydrogramme unitaire est un outil du processus d'écoulement d'un cours d'eau qui estime le débit ou le volume d'eau écoulé au fil du temps résultant d'une unité d'excédent de précipitations (ou pluie nette).

Veuillez faire une sélection.

Question 3

L'hydrogramme unitaire montre la réponse du débit _____.
(Choisissez la meilleure réponse.)

La bonne réponse est a).

Veuillez faire une sélection.

Question 4

Image d'un segment pentu de terrain avec les emplacements suivants étiquetés pour la question ci-dessous. Les flèches indiquent la direction dans laquelle l'eau s'écoulerait. « A » est placé directement au-dessus de la surface du terrain, avec une flèche pointant vers le bas de la pente. « B » est placé dans la couche souterraine la plus élevée, avec une flèche pointant vers le bas de la pente. « C » est placé dans la couche souterraine la plus profonde, avec une flèche pointant vers le bas de la pente, et « D » est situé dans la couche souterraine la plus élevée, avec sa flèche pointant directement vers le bas

Dans l'image ci-dessus, lesquelles des zones étiquetées sont des exemples de contributions au ruissellement à réponse rapide (ruissellement pur ou réel) ?
(Choisissez tout ce qui correspond.)

Les bonnes réponses sont a) et b).

Le ruissellement à réponse rapide (ruissellement pur ou réel) comprend l'excédent de précipitations qui s'écoule rapidement à la surface et juste sous la surface.

Veuillez faire une sélection.

Terminologie et hypothèses

Image d'un hydrogramme complet avec un ruissellement à réponse rapide (pur ou réel) séparé du débit de base par un ombrage de couleur

Dans cette section, nous couvrirons certains termes importants de la théorie de l'hydrogramme unitaire et examinerons les hypothèses clés sur lesquelles la théorie est basée.

Dans cette section, vous apprendrez à :

  • Identifier les termes et hypothèses importants dans la théorie de l'hydrogramme unitaire

Séparation du débit de base

Image d'un hydrogramme complet avec un ruissellement à réponse rapide (pur ou réel) séparé du débit de base par un ombrage de couleur. Le flux augmente vers le haut le long de l'axe des ordonnées (y), et le temps est l'axe des abscisses (x). La portion du débit de base correspond approximativement à la moitié inférieure de la zone sous la courbe et présente un petit pic tardif. La portion de réponse rapide est la portion la plus haute de la zone sous la courbe et a un pic plus tôt que celui du débit de base. Le débit à réponse rapide se termine brusquement après son pic, de sorte que la courbe hydrographique ne contient que le débit de base en dessous pendant environ le dernier tiers du temps indiqué.

Parce que nous ne voulons pas inclure la contribution du débit de base dans l'hydrogramme unitaire, cela doit être séparé du ruissellement à réponse rapide (ruissellement pur ou réel). Il existe différentes méthodes pour le faire.

Image d'un hydrogramme complet avec un écoulement à réponse rapide (pur ou réel) séparé du débit de base par un ombrage de couleur. Il y a maintenant une ligne droite s'étendant du point sur la courbe de l'hydrogramme où commence le ruissellement à réponse rapide (pur ou réel, vers le haut et vers la droite jusqu'au point où le ruissellement à réponse rapide (pur ou réel) se termine. Cette ligne coupe une partie du sommet du pic du débit de base.

La méthode de la ligne droite, illustrée ici, est une simple approximation pour séparer le débit de base du ruissellement à réponse rapide (ruissellement pur ou réel).

Image d'un hydrogramme complet avec un ruissellement à réponse rapide (pur ou réel) séparé du débit de base par un ombrage de couleur. La partie du pic du débit de base qui se situait au-dessus de l'intersection de la ligne de séparation est désormais incluse dans le ruissellement à réponse rapide (pur ou réel). Une partie similaire du ruissellement à réponse rapide (pur ou réel) qui se trouvait en dessous de la ligne de séparation est maintenant incluse comme débit de base.

La ligne résultante est la ligne de séparation du débit de base. Elle sépare la partie de l'hydrogramme total qui résulte d'un débit à long terme (débit de base) de la partie qui est un ruissellement à court terme et à réponse rapide (ou ruissellement pur ou réel).

Terminologie de la théorie des hydrogrammes unitaires

Image d'un hydrogramme avec des points maintenant étiquetés avec la terminologie pour chaque segment. La branche ascendante est située le long de l'hydrogramme à un point où la pente est positive (la ligne monte de gauche à droite). Le ruissellement à réponse rapide (pur ou réel) se trouve dans la zone la plus haute ombrée sous la courbe. La courbe de décrue ou de récession est située le long de l'hydrogramme à un point où la pente est négative (la ligne va vers le bas de gauche à droite). Le point d'inflexion est situé le long de l'hydrogramme à un point où la pente passe brusquement d'une pente fortement négative à moins négative. La durée de la pluie nette est indiquée par une flèche pointant dans la direction x positive, à l'opposé de la courbe. La ligne de séparation du débit de base est la ligne droite séparant le ruissellement à réponse rapide (pur ou réel) et le débit de base, la zone ombrée la plus basse sous la courbe.

La durée de l'excédent de précipitations est le temps qu'il a fallu pour générer la pluie nette. Il ne fait pas référence au moment de la réponse réelle du cours d'eau dans l'hydrogramme. L'hydrogramme unitaire est nommé suivant la durée. Par exemple, un hydrogramme unitaire de 6 heures est un hydrogramme qui montre l'impact de 6 heures d'excédent de précipitations ou de pluie nette.

La branche ascendante de l'hydrogramme est la partie située entre le moment où il commence à monter et le débit de pointe.

La branche de récession ou branche descendante de l'hydrogramme, ou courbe de récession (ou de décrue), est la partie entre le débit de pointe et l'endroit où le débit revient à un état relativement stable.

Le point d'inflexion est le point sur la courbe de récession (ou de décrue) de l'hydrogramme où la pente du graphique devient moins raide. Cela indique où le débit de base devient plus important dans le débit total que le ruissellement à réponse rapide (ou ruissellement pur ou réel).

Un hydrogramme étiqueté avec sa terminologie scientifique, avec des flèches de temps jusqu'au pic et de temps de concentration inclus. Le temps jusqu'au pic est représenté par une flèche couvrant la distance entre le point médian de la durée de la pluie nette et le moment où l'hydrogramme atteint un pic de débit. Le moment de la concentration est représenté par une flèche couvrant la distance entre la fin de la période de la pluie nette et le moment où le point d'inflexion se produit.

Il existe différentes durées associées à la théorie de l'hydrogramme unitaire.

Le temps jusqu'au pic, qui est parfois appelé temps de latence, est le temps écoulé entre le point médian de la période de précipitation et le débit de pointe.

Le temps de concentration est le temps écoulé entre la fin de la période de précipitation et la fin du ruissellement à réponse rapide (ruissellement pur ou réel) dans l'hydrogramme. Cela représente le ruissellement provenant du point le plus éloigné du bassin versant.

Hypothèses de la théorie de l'hydrogramme unitaire

Diagramme conceptuel des précipitations colorées sur un bassin. Les couleurs chaudes indiquent des quantités de précipitations élevées, les couleurs froides indiquent de faibles quantités de précipitations. Il y a un œil de bœuf de couleurs chaudes dans la partie nord du bassin, tandis que l'extrémité sud a des couleurs froides et certaines zones sans aucune précipitation

L'hypothèse principale de la théorie de l'hydrogramme unitaire est que les précipitations ont une distribution uniforme, à la fois dans l'espace – avec des variations minimales sur le bassin – et dans le temps ; en d'autres termes, le taux de précipitations ne varie pas beaucoup au cours de l'événement.

Image radar des précipitations totales sur 12 heures d'une tempête tropicale sur un bassin. Les zones centrales et orientales du bassin présentent des couleurs chaudes indiquant des précipitations de 100 à 200 mm, tandis que la moitié ouest du bassin présente des couleurs violettes et grises, indiquant 1 mm à 25 mm de précipitations.

En réalité, les épisodes pluvieux sont rarement uniformes dans l'espace et dans le temps. Souvent, une partie du bassin reçoit des précipitations d'intensité plus élevée qu'une autre partie. De plus, la proportion des précipitations qui deviennent des excédents de pluie (ou pluie nette) est susceptible d'augmenter pendant toute la durée de la tempête au fur et à mesure que le sol devient plus saturé.

Questions de révision

Question 1

Un hydrogramme unitaire est défini comme un hydrogramme résultant d'une unité d'excédent de pluie (ou pluie nette) sur une durée spécifiée, avec une _____ dans tout le bassin.
(Choisissez la meilleure réponse.)

La bonne réponse est a).

Veuillez faire une sélection.

Question 2

Si nous avons un hydrogramme de 6 heures, alors il a fallu 6 heures pour que_____.
(Choisissez tout ce qui correspond.)

La bonne réponse est c).

Veuillez faire une sélection.

Question 3

Utilisez les cases de sélection pour choisir le mot le mieux défini pour chaque définition.

a) La durée entre la fin de l'excédent de précipitations (pluie nette) et la fin du ruissellement à réponse rapide (pur ou réel) de l'hydrogramme. Cela représente le temps de trajet pour les eaux de ruissellement à réponse rapide (pur ou réel) dans la partie la plus éloignée du bassin.
b) La durée entre le centre de la période de l'excédent de précipitations (pluie nette) et le débit de pointe dans l'hydrogramme de ruissellement.
c) Le temps pendant lequel l'excédent de précipitations (pluie nette) s'est produit.
Veuillez faire une sélection.

Question 4

Image d'un hydrogramme avec des points étiquetés avec des lettres. 'A' est situé le long de la branche de l'hydrogramme à un point où la pente est positive (la ligne monte de gauche à droite). 'B' se trouve dans la zone la plus haute ombrée sous la courbe. 'C' est situé le long de la branche de l'hydrogramme à un point où la pente est négative (la ligne va vers le bas de gauche à droite). « D » est situé le long de la branche de l'hydrogramme à un point où la pente passe brusquement d'une pente fortement négative à moins négative. 'E' désigne une flèche pointant dans la direction x positive. 'F' désigne une ligne droite entre la zone indiquée par la lettre « B » et la lettre ' G', qui désigne la zone ombrée la plus basse sous la courbe.

Associez chaque terme ci-dessous à une lettre du diagramme ci-dessus.

a)
b)
c)
d)
e)
f)
g)
Image d'un hydrogramme avec des points maintenant étiquetés avec la terminologie pour chaque segment. La Branche ascendante est située le long de la courbe de l'hydrogramme à un point où la pente est positive (la ligne monte de gauche à droite). Le ruissellement à réponse rapide (pur ou réel) se trouve dans la zone la plus haute ombrée sous la courbe. La Branche descendante (courbe de décrue) est située le long de l'hydrogramme à un point où la pente est négative (la ligne va vers le bas de gauche à droite). Le point d'inflexion est situé le long de l'hydrogramme à un point où la pente passe brusquement d'une pente fortement négative à moins négative. La durée de l'excédent de précipitations (pluie nette) est indiquée par une flèche pointant dans la direction x positive, en s'éloignant de la courbe. La ligne de séparation du débit de base est la ligne droite séparant le ruissellement à réponse rapide (pur ou réel) et le débit de base, la zone ombrée la plus basse sous la courbe.
Veuillez faire une sélection.

Question 5

Image d'un hydrogramme où la durée de l'excédent de précipitations (ou pluie nette) est indiquée par une flèche qui commence au temps = 0 et pointe une courte distance jusqu'à la fin des précipitations. Une flèche couvrant la distance entre un point à mi-chemin de la durée de l'excédent de précipitations (ou pluie nette) et le pic de l'hydrogramme est étiquetée « A ». Une autre flèche qui couvre la distance entre la fin de la durée de l'excédent de précipitations (ou pluie nette) et le point d'inflexion est désignée par « B ».

Associez chaque lettre du diagramme ci-dessus à sa terminologie appropriée ci-dessous.

a)
b)
Image d'un hydrogramme où la durée de l'excédent de précipitations (ou pluie nette) est indiquée par une flèche qui commence au temps = 0 et pointe une courte distance jusqu'à la fin des précipitations. La flèche couvrant la distance entre un point à mi-chemin de la durée de l'excédent de précipitations (ou pluie nette) et le pic de l'hydrogramme est étiquetée « A » et correspond au « temps pour atteindre le pic ». Une autre flèche qui couvre la distance entre la fin de la durée de l'excédent de précipitations (ou pluie nette) et le point d'inflexion est désignée par « B » et correspond au « temps de concentration ».
Veuillez faire une sélection.

Création d'un hydrogramme unitaire

Avec un simple hydrogramme de ruissellement (en haut à gauche) à une station hydrométrique donnée, on peut élaborer un hydrogramme unitaire avec trois données d'entrée : la superficie du bassin (en haut à droite), les précipitations moyennes du bassin (en bas à gauche) et la durée de l'excédent de précipitations ou de la pluie nette (en bas à droite).

Un hydrogramme unitaire peut être dérivé d'un hydrogramme de débit total à un emplacement donné (ou position donnée) de la station hydrométrique avec les informations suivantes :

  • La superficie du bassin
  • La hauteur moyenne des précipitations dans le bassin
  • La durée de l'excédent de pluie (ou pluie nette)

Dans cette section, nous allons parcourir les étapes d'élaboration d'un hydrogramme unitaire.

Dans cette section, vous apprendrez à :

  • Décrire les étapes fondamentales suivies pour élaborer un hydrogramme unitaire

Étape 1 : Sélectionnez l'événement de précipitation approprié

Diagramme conceptuel des précipitations colorées sur un bassin. Les couleurs chaudes indiquent des quantités de précipitations élevées, les couleurs froides indiquent de faibles quantités de précipitations. Il y a un œil de bœuf de couleurs chaudes dans la partie nord du bassin, tandis que l'extrémité sud a des couleurs froides et certaines zones sans aucune précipitation

Lors de l'élaboration d'un hydrogramme unitaire, il est important de commencer par un hydrogramme archivé dans lequel la portion de ruissellement à réponse rapide (pur ou réel) provient d'un seul événement pluvieux (ou épisode pluvieux). De plus, cette tempête doit avoir un excédent de précipitations (ou une pluie nette) presque uniformément répartie dans l'espace et dans le temps sur le bassin.

Étape 2 : Soustraire la contribution de débit de base

Un hydrogramme est divisé en deux sections au-dessus et au-dessous de la ligne de séparation du débit de base. Au-dessus de la ligne se trouve le ruissellement à réponse rapide et en dessous de la ligne se trouve le débit de base.

Rappelez-vous qu'un hydrogramme unitaire représente le ruissellement à réponse rapide (pur ou réel).

Pour que l'hydrogramme unitaire montre uniquement l'effet du ruissellement à réponse rapide (pur ou réel), nous devons séparer la partie du débit de base.

Un hydrogramme avec le débit de base supprimé, ne laissant que le ruissellement  (pur ou réel), qui est maintenant déplacé vers le bas de sorte que son fond repose sur l'axe des abscisses (x).

Une fois que nous avons soustrait la composante du débit de base, l'hydrogramme résultant montre uniquement la contribution de l'excédent de précipitations (ou pluie nette) ou du ruissellement à réponse rapide (pur ou réel).

Étape 3 : Calculer le volume du ruissellement de réponse rapide (pur ou réel)

Troisième étape de l'élaboration d'un hydrogramme unitaire, calculer le volume du ruissellement superficiel.

Le volume total d'eau provenant du ruissellement à réponse rapide (pur ou réel) doit être calculé. Cela se fait en additionnant les zones sous l'hydrogramme de ruissellement à réponse rapide (pur ou réel) pour chaque pas de temps, dans ce cas, toutes les heures.

Étape 4 : Déterminer la hauteur de la pluie nette (ou de l'excédent de précipitations) du bassin

En prenant le volume total d'eau du ruissellement à réponse rapide (pur ou réel) (indiqué comme un réservoir d'eau semi-rempli) de l'hydrogramme précédent, et en divisant ce volume de manière égale sur la superficie du bassin (vue en plan) donne une hauteur d'eau uniforme sur l'ensemble du bassin (indiqué comme une « lame » d'eau sur tout le bassin).

Une fois que le volume du ruissellement à réponse rapide (pur ou réel) est estimé pour un bassin, il faudra déterminer la hauteur de pluie nette (ou excédent de précipitations) moyenne à l'échelle du bassin qui produit ce volume. Pour ce faire, ce volume sera uniformément réparti sur l'ensemble du bassin.

L'équation générale à utiliser pour calculer la hauteur moyenne de l'eau sur l'ensemble du bassin est le « Volume divisé par la surface ».

Nous dérivons cela mathématiquement en divisant le volume du ruissellement à réponse rapide (pur ou réel) par la superficie du bassin pour obtenir la hauteur moyenne de la pluie nette (ou excédent de précipitations).

Représentation de la forme d'équation du calcul de la pluie nette

Par exemple, supposons que nous ayons une superficie de bassin de 100 kilomètres carrés, soit 100 000 000 mètres carrés. Supposons le volume d'eau calculé provenant du ruissellement à réponse rapide (pur ou réel) à 2 000 000 mètres cubes. Ainsi, en divisant le volume par la superficie, soit 2 000 000 mètres cubes/100 000 000 mètres carrés, nous obtenons 0,02 mètre, soit 2,0 centimètres. Ces 2 centimètres représentent la hauteur moyenne de la pluie nette (ou excédent de précipitations) sur le bassin.

Étape 5 : Ajuster l'hydrogramme du ruissellement à réponse rapide (pur ou réel)

Cinquième étape dans l'élaboration d'un hydrogramme unitaire, ajustez l'hydrogramme à réponse rapide (pur ou réel) pour représenter 1 unité de pluie nette. Sur la gauche se trouve un hydrogramme de ruissellement à réponse rapide (pur ou réel) (Débit/unité en fonction du temps). Sur la droite se trouve un hydrogramme unitaire ajusté (Débit/unité en fonction du temps) où la courbe est maintenant ajustée pour une seule unité de précipitation.

La hauteur de la pluie nette (ou excédent de précipitations) ne sera probablement pas exactement une unité comme l'exige la théorie de l'hydrogramme unitaire. Nous devons donc ajuster l'hydrogramme de ruissellement à réponse rapide (pur ou réel)) pour montrer quelle serait la réponse d'une unité.

L'équation générale de calcul du facteur d'ajustement : L'hydrogramme unitaire divisée par la pluie nette est égale au facteur d'ajustement.

Nous pouvons déterminer l'ajustement en divisant simplement l'unité de l'hydrogramme (dans ce cas, une) par la pluie nette (ou excédent de précipitations). Nous utilisons ensuite ce facteur d'ajustement pour convertir les points de l'hydrogramme de ruissellement en hydrogramme unitaire.

Équation pour calculer un exemple de facteur d'ajustement : 1 cm (unité) divisé par 2 cm (unités excédentaires) est égal à 0,5.

Par exemple, la mesure de la hauteur d'hydrogramme unitaire est de 1 cm, et la hauteur de pluie nette (excédent de précipitations) calculée est de 2 cm. Cela nous donne un facteur d'ajustement de 0,5, que nous pouvons utiliser pour calculer chaque point de données dans l'hydrogramme.

Une fois chaque point de l'hydrogramme multiplié par le facteur d'ajustement de 0,5, l'hydrogramme unitaire résultant correspond à exactement 1 cm de la pluie nette (excédent de précipitations).

Il est à noter que pour un hydrogramme, l'axe des ordonnées (Y) est l'axe du débit qui s'exprime en mètres cubes par seconde (m3/s). Pour un hydrogramme unitaire, l'axe des ordonnées (Y) est l'axe du débit par unité et s'exprime, par exemple, en mètres cubes par seconde et par cm (m3/s/cm).

Étape 6 : Déterminer la durée

Une horloge indiquant 9 heures de précipitations (de 12 à 9). Au bout de 2 heures dans ce cas, la précipitation ne peut ni s'infiltrer ni être stockée, donc pendant 6 heures la précipitation devient un excédent de précipitations ou une pluie nette (de 2 à 8). La dernière heure de précipitation ne dépasse plus le taux d'infiltration, donc les précipitations s'infiltrent dans le sol (de 8 à 9).

La durée d'un hydrogramme unitaire fait référence à une période de temps continue pendant laquelle une unité de pluie nette (excédent de précipitations) est tombée. S'il a fallu 6 heures pour qu'une unité de pluie nette tombe alors l'hydrogramme unitaire résultant est de 6 heures. Veuillez noter que la durée de l'hydrogramme unitaire ne fait pas référence à la durée de la réponse du débit.

La partie difficile dans la détermination de la durée d'un hydrogramme unitaire consiste à estimer la partie de l'ensemble de l'événement de précipitation qui contribue réellement à la pluie nette (excédent de précipitations).

Étape 6 de l'élaboration d'un hydrogramme unitaire, déterminer la durée de la pluie nette. Animation montrant une ligne de fonction de perte constante (horizontale) sur des segments (pas de temps) d'une heure de pluie nette (rectangles verticaux). La ligne de la fonction de perte constante est déplacée vers le haut ou vers le bas jusqu'à un emplacement où la pluie nette au-dessus de la ligne est égale à la pluie nette qui était précédemment calculée en divisant le ruissellement à réponse rapide (pur ou réel) par la superficie du bassin.

Pour rappel, l'eau qui s'infiltre et percole dans les dépressions profondes et le débit de base ne font pas partie de la pluie nette (excédent de précipitations).

Cette partie des précipitations peut être estimée en appliquant une fonction de perte constante aux précipitations.

Pour rappel, la hauteur de la pluie nette (excédent de précipitations) déjà calculée était de 2,0 cm. Maintenant, il va falloir chercher la durée de la pluie nette.

Pour ce faire, cette ligne de fonction de perte est déplacée de telle sorte que la quantité de précipitations au-dessus de la ligne soit égale à la hauteur de la pluie nette (excédent de précipitations) calculée pour le bassin.

Au-dessous de cette ligne, les précipitations sont stockées à long terme. Au-dessus de la ligne se trouve la pluie nette (ou excédent de précipitations).

Les segments de 6 heures (rectangles verticaux) de la pluie nette moyenne qui étaient au-dessus d'une ligne de fonction de perte constante seront maintenant déplacés vers le bas sur l'axe des abscisses (x).

Il est dérivé un graphique à barres (histogramme) de la pluie nette (excédent de précipitations). Prière noter qu'il n'y a que 6 heures représentées, contre 9 heures dans le graphique des précipitations totales d'origine. Cela signifie que la durée de la pluie nette (excédent de précipitations) est de 6 heures, ce faisant un hydrogramme unitaire de 6 heures sera élaboré.

Veuillez noter que les quantités horaires (ou d'heure en heure) sur ce graphique ne sont pas vraiment uniformes. C'est typique.

Aux fins du calcul de la durée d'un hydrogramme unitaire, il est supposé cependant que toute la pluie nette est tombée uniformément dans le temps.

Hydrogramme unitaire final

Hydrogramme unitaire hypothétique dérivé de 6 heures (unités SI)

À la fin de ces étapes, il est dérivé un hydrogramme unitaire de 6 heures. Il montre la réponse du débit à 6 heures de pluie nette (excédent de précipitations) qui a produit une unité de hauteur.

Un modèle pluie-débit pour un événement réel incorporerait les informations de cet hydrogramme unitaire pour prédire le débit.

Choisir des hydrogrammes unitaires synthétiques

Exemple d'hydrogramme unitaire synthétique du Service de Conservation des Sols (Soil Conservation Services)

Les hydrogrammes unitaires dérivés des données pluviométriques et hydrométriques sont la méthode privilégiée. Cependant, dans de nombreux bassins, les données sont insuffisantes pour le faire.

Des hydrogrammes unitaires synthétiques sont utilisés dans ces zones. Les hydrogrammes unitaires synthétiques représentent généralement des bassins sans informations adéquates sur les stations hydrométriques et sont élaborés à partir des informations provenant de nombreux bassins pourvus en équipements ou appareils de mesures.

Questions de révision

Question 1

Le volume total des eaux de ruissellement à réponse rapide (pur ou réel)) et la superficie du bassin sont utilisés pour calculer _____.
(Choisissez la meilleure réponse.)

La bonne réponse est c).

Veuillez faire une sélection.

Question 2

Lors du choix d'une tempête appropriée pour élaborer un hydrogramme unitaire, peu importe si la pluie nette (excédent de précipitations) moyenne réelle du bassin n'est pas exactement d'une unité de hauteur.
(Vrai ou faux?)

La bonne réponse est a).

Peu importe si la pluie nette (excédent de précipitations) pour la tempête n'a pas exactement une unité de hauteur. Dans les étapes d'élaboration, des ajustements sont effectués pour tenir compte de la différence par rapport à une unité de hauteur de pluie nette (excédent de précipitations). En fait, il est plus important de choisir une tempête avec une répartition uniforme de précipitations que d'obtenir exactement 1 unité de hauteur de pluie nette.

Veuillez faire une sélection.

Question 3

Quels éléments sont nécessaires pour élaborer un hydrogramme unitaire à partir des données pluviométriques et hydrométriques ?
(Choisissez tout ce qui correspond.)

Les bonnes réponses sont a), b), c) et e).

En plus des données pluviométriques et hydrométriques, l'élaboration d'un hydrogramme unitaire nécessite la connaissance de la superficie du bassin, de la contribution du débit de base au débit du cours d'eau, de la durée de la pluie nette (excédent de pluie) et de la partie de la pluie totale qui devient un ruissellement débit à réponse rapide (pur ou réel), ou pluie nette (excédent de précipitations).

Veuillez faire une sélection.

Application de la théorie de l'hydrogramme unitaire

L'application de la théorie de l'hydrogramme unitaire nécessite d'adapter la théorie aux facteurs du monde réel.

Par exemple, lors de l'utilisation de certains modèles de ruissellement hydrologique, un type différent d'hydrogramme unitaire est utilisé. De plus, il est généralement nécessaire de tenir compte des quantités de la pluie nette (excédent de précipitations) qui sont différentes d'une unité de hauteur, ou qui tombent sur diverses durées, ou sur plusieurs périodes.

La théorie de l'hydrogramme unitaire peut être appliquée à la fois aux évènements pluvieux et à la fonte des neiges.

Enfin, des hydrogrammes unitaires peuvent exister sur la base de différentes unités de mesure.

Dans cette section, vous apprendrez à :

  • Expliquer les problèmes clés pour l'application de la théorie de l'hydrogramme unitaire
  • Identifier les raisons pour lesquelles certains événements pluvieux peuvent ne pas être représentés avec précision par un hydrogramme unitaire
  • Décrire le processus d'application des hydrogrammes unitaires couvrant plusieurs durées

Utilisation des modèles de ruissellement

Trois zones sont notées sur cet hydrogramme de ruissellement. La plus haute est la zone de ruissellement de surface, suivie de la zone d'écoulement hypodermique, puis de la zone d'écoulement de base. Chacune de ces zones est un sous-ensemble de la courbe de ruissellement qui monte rapidement jusqu'à un pic, puis descend plus lentement jusqu'à un point final plus élevé que le point de départ. Les tailles relatives de chacune de ces zones changent en fonction de l'événement pluvieux et du bassin en question.

Certains modèles de ruissellement, tels que le modèle Sacremento Soil Moisture Accounting, prennent déjà en compte la partie du ruissellement à réponse rapide (pur ou réel) qui se produit juste sous la surface, ou écoulement hypodermique. Par conséquent, lors de l'utilisation d'un modèle de ruissellement, il convient de vérifier si l'hydrogramme unitaire doit inclure l'écoulement hypodermique ou toute autre partie de l'écoulement de base, afin que ces parties ne soient pas prises en compte deux fois dans le résultat final.

Hydrogramme d'un modèle de ruissellement comparé à un hydrogramme unitaire traditionnel. La courbe de pointe supérieure/précédente est typique d'un hydrogramme de modèle de ruissellement, tandis que la courbe de pointe tardive est l'hydrogramme unitaire traditionnel.

Un hydrogramme unitaire généré à partir d'un modèle de ruissellement qui a déjà séparé l'écoulement de base et l'écoulement hypodermique dans son calcul atteindra un pic plus rapidement et plus élevé que l'hydrogramme unitaire plus traditionnel, car le ruissellement de surface atteindra le cours d'eau plus rapidement que l'écoulement de base ou l'écoulement hypodermique. Veuillez noter, cependant, que l'aire sous les deux courbes est égale car les deux hydrogrammes représentent la même unité de ruissellement.

Variations de l'amplitude des précipitations

Trois courbes illustrant les différences d'amplitude des précipitations sur un hydrogramme. Une courbe symétrique pour une seule unité de précipitation est représentée en vert et culmine à environ 200 unités de débit. Une courbe pour 2 unités de pluie nette est représentée en rouge. La courbe à 2 unités est également symétrique et culmine à environ 400 unités de débit. Une courbe pour 0,5 unité de pluie nette est représentée en bleu. La courbe de 0,5 unité est symétrique et culmine à environ 100 unités de débit.

Comment adapter un hydrogramme unitaire pour une tempête dont l'amplitude des précipitations varie dans le temps ?

Ici, il y a un hydrogramme unitaire de 6 heures où 1 unité de hauteur de pluie nette (excédent de précipitations) entraîne un débit de pointe indiqué ici en vert. Mais il y a eu en fait 2 unités de hauteur de pluie nette (excédent de précipitations) au cours de ces 6 heures.

Ce faisant, un simple ajustement proportionnel est donc appliqué de sorte que 2 unités de hauteur donnent un débit de pointe 2 fois plus important qu'avec 1 unité de hauteur.

De même, 0,5 unité de hauteur de pluie nette (excédent de précipitations) entraînerait une amplitude de débit seulement la moitié de la magnitude qu'une unité de hauteur de pluie nette (excédent de précipitations) provoquerait.

Variations de la durée des précipitations

Trois courbes illustrant les différences de durée des précipitations sur un hydrogramme. Une courbe de 6 heures est représentée en vert comme une courbe en cloche symétrique. Une courbe d'une heure est représentée en rouge et culmine plus rapidement et plus haut que la courbe de 6 heures. Une courbe de 12 heures est représentée en bleu et son pic est plus bas et plus lent que celui de la courbe de 6 heures.

Pour rappel, un hydrogramme unitaire de 6 heures signifie que la pluie nette (excédent de précipitations) est tombée en 6 heures.

En considérant maintenant une situation dans laquelle 1 unité de hauteur de pluie nette est tombée en 1 heure au lieu de 6 heures, dans ce cas, le bassin versant répondrait plus rapidement et donc, le pic se produirait plus tôt. Le pic serait également d'une plus grande amplitude car il y aurait toujours le même volume sous la courbe qu'il y avait avec la pluie nette de 6 heures.

De même, si la durée de pluie nette était de 12 heures au lieu de 6 heures, alors la réponse montrerait un pic plus tardif et de moindre ampleur, mais toujours avec le même volume de ruissellement sous la courbe.

Il est important d'utiliser la bonne durée lors de l'application d'un hydrogramme unitaire. Mais la durée "correcte" de l'hydrogramme unitaire peut ne pas exister.

Par exemple, on peut avoir un hydrogramme unitaire de 6 heures, mais la tempête actuelle ne produit qu'une heure de pluie nette. Certaines méthodologies peuvent être appliquées à l'hydrogramme unitaire disponible pour produire un hydrogramme unitaire de durée plus longue ou plus courte. Les méthodes « Temps de latence » et « Courbe en S » sont deux exemples de ces approches.

Plusieurs périodes de temps

Un graphique à barres sur 24 heures de pluie nette moyenne horaire avec des précipitations tombant tout le temps. Les maximas locaux se produisent à 4 heures, 6 et 7 heures, 15 heures et 23 heures. La hauteur de pluie de 15 heures est le maximum absolu.

Maintenant, soyons plus réalistes et compliquons un peu les choses. Considérons une situation où la pluie nette tombe sur une période de 24 heures. Les quantités horaires varient de moins de 0,1 unité de hauteur à plus de 0,5 unité de hauteur de pluie nette.

Le seul hydrogramme unitaire disponible est d'une durée de 6 heures. Par conséquent, l'hydrogramme unitaire disponible ne correspond pas à la durée de la pluie nette de 24 heures.

Le graphique à barres de la pluie nette de 24 heures ci-dessus a été subdivisé pour mettre en évidence des blocs de 6 heures, par couleur (les barres de 0 à 6 heures sont affichées en vert, les blocs de 6 à 12 heures sont affichés en bleu, les blocs de 12-18 heures sont affichés en rouge et les blocs de 18 à 24 heures sont affichés en jaune).

Tout d'abord, nous examinons le graphique à barres (l'histogramme) de plus près pour voir si la période de 24 heures peut être divisée en segments (pas de temps) de 6 heures. Il semble que nous puissions obtenir quatre périodes de 6 heures avec des amplitudes relativement cohérentes, comme le montrent les segments de couleur.

Les courbes hydrographiques des couleurs correspondantes remplacent désormais les blocs de 6 heures de l'image précédente. La courbe hydrographique verte est la plus proche de l'origine, suivie d'une courbe bleue, puis d'une courbe rouge et enfin d'une courbe jaune qui s'étend jusqu'à la fin de l'axe des abscisses (x). Le pic de chaque courbe est situé à l'heure de fin de son bloc de durée codé par couleur correspondant (par exemple, le pic de la courbe de l'hydrogramme rouge se produit à 18 heures). Les queues des courbes hydrographiques se chevauchent dans une certaine mesure.

Maintenant que nous avons quatre périodes de pluie nette correspondant chacune à la durée de l'hydrogramme unitaire, nous pouvons appliquer l'hydrogramme unitaire à chacune des quatre périodes de 6 heures.

Veuillez noter que les hydrogrammes unitaires sont ajustés pour chaque période. Bien sûr, la période 3, en rouge, aura un graphique d'une amplitude plus élevée pour correspondre à la pluie nette d'amplitude plus élevée.

Une courbe représentant la somme des quatre courbes du graphique précédent. Cela a été accompli en « connectant les points » depuis l'origine en passant par chacun des quatre pics, puis en redescendant à un débit nul à la fin de la période de 24 heures.

Enfin, la somme de chacun des quatre hydrogrammes peut être prise et obtenir un hydrogramme comme indiqué par la ligne noire. De cette façon, l'hydrogramme unitaire de 6 heures a été utilisé pour obtenir un hydrogramme pour un événement de 24 heures. C'est-à-dire que nous avons utilisé plusieurs périodes pour obtenir un seul hydrogramme pour l'ensemble de la tempête. Cet hydrogramme final montre le ruissellement à réponse rapide (pur ou réel) pour cet événement de pluie nette de 24 heures.

Ce processus de combinaison d'hydrogrammes est parfois appelé convolution.

La fonte des neiges comme excédent de précipitations

Un « bloc » théorique de neige, qui fond en un bloc d'eau beaucoup moins profond.

Les données d'entrée des modèles de ruissellement peuvent être soit les précipitations soit la fonte des neiges ou une combinaison des deux. La théorie de l'hydrogramme unitaire est appliquée dans le modèle de ruissellement.

Par conséquent, peu importe si l'excédent de précipitations utilisé dans l'hydrogramme unitaire provient de la pluie ou de la fonte des neiges. Le modèle de ruissellement, et donc la théorie de l'hydrogramme unitaire, traitera les deux données d'entrée de la même manière. Cependant, les prévisionnistes doivent être conscients des problèmes connexes tels que le sol gelé ou la glace de cours d'eau lorsqu'ils traitent du ruissellement de la fonte des neiges.

Questions de révision

Question 1

Si 1 cm d'excédent de précipitations entraîne un débit de pointe de 30 mètres cubes par seconde dans un hydrogramme unitaire standard, alors _____ mètres cubes par seconde résulteraient de 2 cm d'excédent dans la même durée.
(Choisissez la meilleure réponse.)

La bonne réponse est c).

Si 1 cm produit 30 m3/s, alors deux fois plus d'excédent de précipitations, ou 2 cm, produiront deux fois plus de débit, ou 60 m3/s.

Veuillez faire une sélection.

Question 2

Une courbe d'hydrogramme unitaire symétrique typique avec le temps augmentant le long de l'axe des abscisses (x) et le débit augmentant le long de l'axe des ordonnées (y). Les points suivants sont étiquetés : « A » est situé directement au-dessus du point médian de la branche montante d'environ la moitié de l'amplitude de la valeur de pic (ou crête). 'B' est situé directement au-dessus du pic de la courbe d'environ la moitié de l'amplitude de la valeur de pic. « C » est situé directement au-dessus du point médian de la courbe de décrue d'environ la moitié de l'amplitude de la valeur de pic. « D » est situé directement au-dessous du pic d'environ un quart de l'amplitude de la valeur de pic, et « E » est situé directement au-dessous du pic d'environ la moitié de la valeur de pic.

Examinez cet hydrogramme unitaire standard de 6 heures. Où cette courbe culminerait-elle avec une hauteur de pluie nette de 0,5 unité ?
(Choisissez la meilleure réponse.)

La bonne réponse est e).

Une courbe d'hydrogramme unitaire symétrique typique avec le temps augmentant le long de l'axe des x et le débit augmentant le long de l'axe des y. Les points suivants sont étiquetés : « A » est situé directement au-dessus du point médian de la branche montante d'environ la moitié de l'amplitude de la valeur de pic (ou crête). « B » est situé directement au-dessus du pic de la courbe d'environ la moitié de l'amplitude de la valeur de pic. « C » est situé directement au-dessus du point médian de la courbe de décrue d'environ la moitié de l'amplitude de la valeur de crête. « D » est situé directement au-dessous du pic d'environ un quart de l'amplitude de la valeur de pic, et « E » est situé directement au-dessous du pic d'environ la moitié de la valeur de pic. Une courbe supplémentaire en vert passe par la lettre E

L'hydrogramme unitaire ne montrera que la moitié de l'amplitude maximale avec une hauteur de pluie nette de 0,5 unité. Le moment (ou timing) et la forme ne devraient pas changer.

Veuillez faire une sélection.

Question 3

Une courbe d'hydrogramme unitaire symétrique typique avec le temps augmentant le long de l'axe des x et le débit augmentant le long de l'axe des y. Les points suivants sont étiquetés : « A » est situé directement au-dessus du point médian de la branche montante d'environ la moitié de l'amplitude de la valeur de crête. 'B' est situé directement au-dessus du pic de la courbe d'environ la moitié de l'amplitude de la valeur de pic. « C » est situé directement au-dessus du point médian de la courbe de décrue d'environ la moitié de l'amplitude de la valeur de crête. « D » est situé directement au-dessous du pic d'environ un quart de l'amplitude de la valeur de pic, et « E » est situé directement au-dessous du pic d'environ la moitié de la valeur de pic.

Où cette courbe culminerait-elle si l'unité de hauteur des précipitations excessives (ou pluie nette) se produisait en 3 heures au lieu de 6 ?
(Choisissez la meilleure réponse.)

La bonne réponse est a).

Une courbe d'hydrogramme unitaire symétrique typique avec le temps augmentant le long de l'axe des x et le débit augmentant le long de l'axe des y. Les points suivants sont étiquetés : « A » est situé directement au-dessus du point médian de la branche montante d'environ la moitié de l'amplitude de la valeur de crête. 'B' est situé directement au-dessus du pic de la courbe d'environ la moitié de l'amplitude de la valeur de pic. « C » est situé directement au-dessus du point médian de la courbe de décrue d'environ la moitié de l'amplitude de la valeur de crête. « D » est situé directement au-dessous du pic d'environ un quart de l'amplitude de la valeur de pic, et « E » est situé directement au-dessous du pic d'environ la moitié de la valeur de pic. Une courbe supplémentaire en pointes vertes passant par la lettre E

L'hydrogramme unitaire de 3 heures culminera plus rapidement et plus haut que l'hydrogramme unitaire de 6 heures, mais le volume d'eau qu'il représente devrait rester le même.

Veuillez faire une sélection.

Considérations relatives aux prévisions

Un nuage de cumulonimbus lointain produit de fortes pluies

Comme nous l'avons déjà dit, les événements pluvieux sont rarement uniformes dans le temps et dans l'espace. L'événement pluvieux typique subit à la fois les influences à la méso-échelle de l'atmosphère et de la surface terrestre. Une pluviométrie moyenne sur le bassin va lisser les maxima et minima typiques de précipitations à travers un bassin.

Afin d'ajuster les prévisions pour mieux correspondre aux événements pluvieux en temps réel, nous devons être conscients des écarts dans les hypothèses de la théorie de l'hydrogramme unitaire.

Dans cette section, vous apprendrez à :

  • Reconnaître les implications prévisionnelles de la théorie de l'hydrogramme unitaire pour les événements pluvieux réels
  • Décrire les effets potentiels sur les données hydrographiques réelles en fonction de la répartition de la tempête et des changements dans le bassin

Répartition spatiale de la tempête

Réflectivité de base et front froid analysé centré sur la Pennsylvanie sur une période de 15 heures se terminant à 21 :00 heures UTC le 17 septembre 2004 dans le bassin de Susquehanah

La répartition non uniforme des précipitations dans un bassin enfreint l'hypothèse de base de l'uniformité. La répartition spatiale à l'intérieur d'un bassin peut varier à la fois en fonction du pourcentage de la superficie du bassin touché et des régions spécifiques. Cela peut conduire à une réponse du cours d'eau qui est significativement différente de la réponse prédite par la théorie de l'hydrogramme unitaire.

Image fixe d'une animation montrant un petit œil de bœuf de précipitations intenses (concentrique) dans un bassin et son hydrogramme correspondant par rapport à une répartition de pluie moins intense et généralisée sur l'ensemble du bassin et son hydrogramme correspondant. Le pic de l'hydrogramme pour l'œil de bœuf des précipitations intenses (concentrique) est beaucoup plus élevé et se produit légèrement plus tard que celui du scénario de précipitations généralisées.

Par exemple, dans un cas hypothétique, disons qu'il pleut 5,00 unités de hauteur sur un dixième de la superficie d'un bassin et qu'il est sec sur le reste du bassin. La pluviométrie moyenne du bassin dans ce cas serait de 0,50 unité de hauteur. Selon le modèle de ruissellement utilisé, une hauteur de 0,50 peut ne pas être suffisante pour déclencher un ruissellement important. Mais dans la partie du bassin qui a reçu une hauteur de 5,00 unités, il peut y avoir un ruissellement important qui apparaît comme une réponse majeure dans le chenal (lit) du cours d'eau.

Distribution non uniforme

Image fixe d'une animation montrant une région de précipitations sur la zone amont d'un bassin et son hydrogramme correspondant, comparée à une région de précipitations sur la zone principale (aval) près de la station hydrométrique, avec son hydrogramme correspondant. L'hydrogramme des précipitations en aval a un débit de pointe beaucoup plus élevé et plus précoce que celui des précipitations en amont.

Supposons que la partie du bassin hypothétique qui a reçu une hauteur 5,00 unités de pluie se trouve en amont (Point le plus éloigné de l'exutoire). Au moment où le ruissellement atteint le point de prévision à l'exutoire du bassin, il peut être insignifiant en raison de l'atténuation de l'onde de crue lorsqu'elle se déplace vers l'aval. Mais il est fort possible que des inondations se soient produites dans la zone où les pluies de forte intensité sont tombées.

Inversement, disons que la hauteur de 5,00 unités de pluie soient tombées à l'extrémité inférieure du bassin. Maintenant, la réponse au point de prévision à l'exutoire du bassin peut être assez importante.

Déplacement de la tempête

Image fixe d'une animation montrant une région de précipitations se déplaçant vers l'amont dans un bassin et son hydrogramme correspondant, comparée à une région de précipitations se déplaçant vers l'aval dans un bassin avec son hydrogramme correspondant. L'hydrogramme d'une région de précipitations se déplaçant vers l'aval dans un bassin a un pic plus élevé qui se produit plus tard que celui des précipitations qui se déplacent vers l'amont.

Comme pour la distribution des tempêtes, le mouvement introduit également des problèmes de répartition spatiale des tempêtes car le mouvement enfreint l'hypothèse d'une répartition uniforme dans le temps.

Même si les précipitations moyennes par bassin sont uniformes, mais que la pluie est tombée à des moments différents dans différentes parties du bassin, il pourrait y avoir des écarts importants par rapport à la réponse du cours d'eau prédite par la théorie de l'hydrogramme unitaire.

Considérons un épisode pluvieux se déplaçant vers l'aval dans le bassin, de la source à l'exutoire. Les excédents de précipitations sont générés beaucoup plus rapidement en aval du bassin que vers l'amont. En effet, l'eau qui descend le cours d'eau depuis la source atteint les zones en aval au moment même où l'écoulement local pénètre dans le cours d'eau. Il en résulte une branche ascendante plus prononcée et un pic plus élevé que si les précipitations étaient uniformes dans le temps dans tout le bassin, comme représenté par l'hydrogramme unitaire.

A l'inverse, si la tempête se déplaçait vers l'amont, le pic serait plus bas et étalé sur une plus longue période de temps.

Changements de bassin

Image fixe d'une animation comparant des hydrogrammes de zones non urbaines à ceux des zones urbanisées. Le pic de la courbe hydrographique est plus élevé et se produit plus tôt pour le cas urbanisé, par rapport au cas non urbain.

Les modifications apportées au bassin peuvent également affecter l'utilité de l'hydrogramme unitaire. Par exemple, considérons un hydrogramme unitaire pour un bassin qui est principalement constitué de terres agricoles et de forêts.

Considérons maintenant une situation où un développement urbain considérable s'est produit depuis que l'hydrogramme unitaire a été élaboré. L'urbanisation provoque souvent une augmentation à la fois de la quantité de ruissellement et de la rapidité avec laquelle le ruissellement se produit. Ainsi, le débit de pointe est maintenant susceptible d'être plus important et de se produire plus tôt que ce que prédit l'hydrogramme unitaire.

D'autres changements dans le bassin tels que la déforestation, les incendies de forêt et le sol gelé peuvent également augmenter le ruissellement.

Questions de révision

Question 1

Un hydrogramme de ruissellement montre un pic de débit d'un bassin qui est plus tôt et beaucoup plus important que prévu. Vous pensez que les valeurs d'entrée de précipitations et de ruissellement sont bonnes. De plus, l'hydrogramme unitaire de 6 heures pour ce bassin s'est bien comporté dans le passé. Quel peut être le problème ?
(Choisissez tout ce qui correspond.)

Les bonnes réponses sont a) et c).

Un pic plus rapide et plus élevé peut être causé par 1) une tempête descendant le bassin au fil du temps, 2) une tempête concentrée dans la partie inférieure d'un bassin, et 3) des changements dans l'utilisation des terres dans le bassin, comme l'urbanisation et les incendies de forêt.

Veuillez faire une sélection.

Question 2

Une zone de précipitations convectives intenses se produit dans 1/5 d'une zone de bassin sur 3 heures tandis que le reste de la zone de bassin est sec. La pluviométrie moyenne du bassin est de 0,50 cm, ce qui, selon la théorie de l'hydrogramme unitaire, suggère une très faible réponse du cours d'eau à l'exutoire du bassin. Pourquoi cela peut-il être trompeur ?
(Choisissez tout ce qui correspond.)

Les bonnes réponses sont b) et c).

Puisque la fraction de 1/5 de la superficie du bassin a reçu toute la pluie et que la moyenne du bassin était de 0,50 cm, cela signifie qu'il y avait 2,50 cm dans cette fraction de 1/5 de la superficie du bassin. La théorie de l'hydrogramme unitaire a utilisé la moyenne du bassin de 0,50 car elle suppose une répartition uniforme des précipitations. Bien que 0,50 cm de pluie ne produise pas beaucoup de ruissellement à réponse rapide (pur ou réel), en réalité, l'œil de bœuf de 2,50 cm peut produire un ruissellement local très important qui peut apparaître à l'exutoire du bassin.

Veuillez faire une sélection.

Question 3

Image radar des précipitations totales sur 12 heures d'une tempête tropicale sur un bassin. Les zones centrales et orientales du bassin présentent des couleurs chaudes indiquant des précipitations de 100 à 200 mm, tandis que la moitié ouest du bassin présente des couleurs violettes et grises, indiquant 1 mm à 25 mm de précipitations.

Supposons que nous ayons une tempête qui produit une quantité de pluie nette (excédent de précipitations) moyenne dans le bassin qui est différente de 1,00 unité de hauteur. De plus, cette pluie nette n'est pas uniformément répartie dans l'espace ou dans le temps. Comment apportez-vous les ajustements nécessaires aux prévisions hydrologiques ?
(Choisissez tout ce qui correspond.)

Les deux réponses peuvent être correctes selon la situation et l'expérience du prévisionniste :

Si vous savez que vous avez des écarts importants de la théorie de l'hydrogramme unitaire, comme une convection intense concentrée à l'extrémité aval du bassin, vous pouvez choisir de faire en sorte que le pic ou la pointe de l'hydrogramme unitaire apparaisse plus tôt et plus haut. Cela nécessiterait une certaine expérience pour savoir de combien (de quelle grandeur) modifier l'hydrogramme unitaire.

Une autre approche consiste à ajuster directement l'hydrogramme prévisionnel mais pas l'hydrogramme unitaire. La philosophie ici est que l'hydrogramme unitaire est correct et doit être laissé tel quel. Si la répartition des précipitations enfreint les hypothèses de la théorie de l'hydrogramme unitaire, des ajustements seront nécessaires pour les prévisions finales.

Enfin, des ajustements peuvent être apportés sur les données d'entrée de pluie et de ruissellement s'il y a des raisons de croire qu'elles peuvent être inexactes.

Veuillez faire une sélection.

Résumé

  • Un hydrogramme unitaire est utilisé pour estimer l'écoulement d'un cours d'eau ou le débit sur la base d'une pluie uniformément répartie dans un bassin.
  • Un hydrogramme unitaire fournit des informations sur le débit résultant d'une pluie nette de 1 unité dans le bassin.
  • Un hydrogramme unitaire est un hydrogramme spécial qui montre les effets de l'excédent de précipitations (pluie nette), également appelé ruissellement à réponse rapide (pur ou réel), écoulement rapide et ruissellement.

Terminologie et hypothèses

  • Terminologie importante dans la théorie de l'hydrogramme unitaire :
    • Le ruissellement à réponse rapide (pur ou réel) / l'excédent de précipitations (pluie nette) représente la fraction des précipitations qui se dirigent rapidement vers le chenal du cours d'eau.
    • Le débit de base est le débit à long terme d'un cours d'eau qui maintient l'écoulement de l'eau pendant les périodes sèches.
    • La ligne de séparation du débit de base est la ligne sur l'hydrogramme de ruissellement qui se rapproche de la séparation entre la contribution du débit de base et le ruissellement à réponse rapide (pur ou réel).
    • La branche ascendante d'un hydrogramme de ruissellement est l'endroit où la courbe de l'hydrogramme monte du débit de base au débit de pointe.
    • La courbe de décrue d'un hydrogramme de ruissellement est l'endroit où la courbe descend du débit de pointe jusqu'au débit avant le ruissellement.
    • Le point d'inflexion est le point de la courbe de décrue où la pente change le plus rapidement. Il indique où le débit de base redevient la contribution la plus dominante au débit.
    • La durée d'un hydrogramme unitaire fait référence à la période de temps nécessaire pour que l'excédent de précipitations (pluie nette) se produise.
    • Le temps jusqu'au pic dans la théorie de l'hydrogramme unitaire est la durée entre le centre de la durée de l'excédent de précipitations (pluie nette) et le moment du débit de pointe.
    • Le temps de concentration est le temps qui s'écoule entre le moment où l'hydrogramme de ruissellement commence à augmenter jusqu'à ce que le débit de base soit à nouveau la principale contribution au débit.
  • La théorie de l'hydrogramme unitaire suppose que la pluie nette est uniforme dans l'espace et dans le temps dans le bassin.

Elaboration d'un hydrogramme unitaire

  • Il y a six étapes pour élaborer un hydrogramme unitaire à partir des données observées sur les précipitations, le bassin et le débit :
    1. Sélectionnez la tempête appropriée (taux et couverture uniformes).
    2. Séparez le débit de base de sorte que vous n'ayez que les effets du ruissellement à réponse rapide (pur ou réel).
    3. Calculez le volume d'eau dans le ruissellement à réponse rapide (pur ou réel).
    4. À l'aide du volume d'eau et de la taille du bassin, calculez la hauteur moyenne de la pluie nette dans le bassin.
    5. Ajustez l'hydrogramme pour représenter 1 unité de hauteur moyenne dans le bassin.
    6. Calculer la durée de la pluie nette.
  • Les hydrogrammes unitaires synthétiques peuvent être utilisés dans les bassins avec des données insuffisantes pour élaborer un hydrogramme unitaire.

Application de la théorie de l'hydrogramme unitaire

  • Si vous utilisez un modèle de ruissellement, vous pouvez avoir un hydrogramme unitaire différent :
    • L'écoulement hypodermique a peut-être déjà été supprimé.
    • Ces hydrogrammes unitaires peuvent culminer plus rapidement et plus haut que les hydrogrammes unitaires standard.
  • Dans la pratique, la théorie de l'hydrogramme unitaire peut être utilisée pour développer un hydrogramme de ruissellement pour :
    • Un événement d'excédent de précipitations qui s'étend sur plusieurs périodes
    • Des événements d'excédent de précipitations qui sont différents d'une unité de hauteur
    • Différentes durées d'excédent de précipitations (pluie nette).
    • Événements de fonte des neiges

Considérations relatives aux prévisions

Étant donné que la théorie de l'hydrogramme unitaire suppose une répartition uniforme des précipitations dans l'espace et dans le temps et des caractéristiques de bassin immuables, il faut considérer les effets de :

  • Répartition d'une tempête dans un bassin
    • Des précipitations intenses localisées peuvent entraîner un débit de pointe plus important que ne le suggère l'hydrogramme unitaire.
  • Répartition spatiale d'une tempête dans un bassin
    • Un orage concentré dans la partie inférieure d'un bassin entraîne un débit de pointe plus rapide éventuellement plus important.
  • Déplacement d'une tempête dans un bassin
    • Le déplacement en aval d'une tempête entraîne généralement un débit de pointe plus rapide et plus élevé.
  • Changements de surface dans un bassin
    • Les changements d'utilisation des terres tels que l'urbanisation peuvent entraîner un débit de pointe plus rapide et plus important.

Contributeurs

Commanditaires COMET

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

  • Météo 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 National Environmental Satellite, Data and Information Service (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 originaux 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 Throop Williams — Développeur Web
  • Tyler Winstead — Développeur Web

Equipe de traduction française

  • Dr Bi Tozan Michel N'GUESSAN — Docteur-Ingénieur en Génie Civil et Environnement Enseignant-chercheur
  • Rokhaya Ba — OMM
  • Alexandre Alix — Partenariat Français pour l'Eau (PFE) / French Water Partnership (FWP)

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 de groupe
  • Bob Bubon
  • James Hamm
  • Ken Kim
  • Mark Mulholland
  • Victor Taberski (étudiant)
  • Christophe Weber (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 de groupe
  • Steve Deyo
  • Seth Lamos
  • Brannan McGill
  • Dan Riter
  • Carl Whitehurst

Météorologues/scientifiques

  • Dr Greg Byrd, chef de projet principal
  • 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 succursale
  • 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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