Cycle_eau_HB_OK

Présentation générale Cycle de l ’eau

Nous avons fait de l ’eau tout être vivant

Cerveau75 % Sang 83 % Muscle 76 % Os 22 %

Le cycle de l ’eau selon Platon

Le cycle de l ’eau selon Aristote

Certains auteurs selon Aristote

Le cycle de l’eau : situation actuelle et paléoclimats

Depuis 4,5 milliards d ’années … Le cycle de l ’eau ?

Le cycle de l’eau : situation actuelle Bilans énergétiques

Bilan radiatif simplifié

L ’eau et le transfert de la chaleur latente : la clé de la balance énergétique terre-atmosphère 18 % absorbé

Émission d ’infrarouge 45 %

Évaporation et condensation de l ’eau : transfert de chaleur latente de la terre à l ’atmosphère 95 W/m²

47 % absorbé

Émission d ’infrarouge 20 %

Comment le cycle de l'eau transporte-t-il de l'énergie? L'eau utilise l'énergie du Soleil pour s'évaporer. Les molécules d'eau doivent absorber une grande quantité d'énergie afin de pouvoir s'arracher d'une surface d'eau et se retrouver sous forme de vapeur dans l'atmosphère. Cette énergie est ensuite libérée lorsque la vapeur se condense et retourne à l'état liquide. L'énergie présente dans la vapeur d'eau a toutefois eu le temps de voyager, parfois sur de grandes distances, avant d'être relibérée par la formation des nuages (condensation) et la précipitation.

Le cycle de l’eau : situation actuelle Bilans massiques

Sur la Terre, l'eau est la seule substance qu'on trouve dans ses trois phases à l'état naturel : solide (glace, neige), liquide (eau liquide) et gazeux (vapeur d'eau). L'eau s'évapore, se condense et se précipite continuellement dans un cycle infini qui entraîne d'énormes échanges d'énergie. L'eau s'évapore de toutes les étendues d'eau, depuis la simple flaque jusqu'aux océans. De l'eau s'évapore aussi de la végétation : on parle alors d'évapotranspiration. Lorsque la quantité de vapeur d'eau dans l'atmosphère devient suffisamment grande, la vapeur se condense sur des particules en suspension dans l'air pour former les nuages. Les nuages précipitent éventuellement sous forme de pluie, de neige ou de grêle. L'eau qui est libérée retourne au sol où elle est absorbée par la végétation ou ruisselle vers les rivières et les fleuves si elle n'est pas absorbée par le sol. L'eau peut également percoler (pénétrer lentement dans le sol) vers les couches les plus profondes pour alimenter la nappe phréatique et le système des fleuves et des rivières.

Le cycle de l ’eau : Réserves terrestres en km3

Atmosphère : 13 000 Glacier :27 500 000

Océan : 1 350 000 000 Lacs et rivières : 200 000 Aquifères souterrains : 8 400 000

Grands réservoirs d'eau du globe.

Volumes d’eau douce stockés

Grands réservoirs Glaciers Eaux souterraines Eaux continentales de surface : - Lacs et grands réservoirs - Cours d’eau Atmosphère Eau biologique Total : hydrosphère

Km3

%

24 000 000 16 000 000

59,85 39,9

90 000 2 120 13 000 1 120 40 106 240

0,22 0,005 0,003 0,003

Le cycle de l ’eau : 103 Km3 stocks en km3 et flux en km3/an Evaporation : 500 45 Pluviométrie sur les continents : 110

Evapotrans piration 65 45

Pluviométrie sur l ’océan : 455

Bilan simplifié des flux d ’eau en millier de km3

Circulations océaniques

Evolutions climatiques et paramètres astronomiques Très long terme : évolution énergie solaire (+ 1% / 100 millions années) Moyen terme : paramètres orbite terrestre Court terme : activité taches solaires

PRECIPITATIONS

Définitions

Sont dénommées précipitations, toutes les eaux météoriques qui tombent sur la surface de la terre: sous forme liquide (bruine, pluie, averse), sous forme solide (neige, grêle,…) et précipitations déposées ou occultes (rosée, gelée blanche, givre,...).

Mesure

Bricolage

Station climatologique

PLUVIOMETRE RADIO-PILOTE

Grand PLUVIOMETRE

Pluviographe à auge basculante

BOU ARFA

TENDRARA

Ain Beni Mathar

35 30 25 20 15 10 5 0 S

0

N

D

J

F

M

A

M

J

J

A

Précipitations annuelles à Youssoufia 1936-2000 P en mm 600 500 400 300 200 100

1996

1991

1986

1981

1976

1971

1966

1961

1956

1951

1946

1941

1936

0

Courbes IDF

EVAPO-TRANSPIRATION

EvapoTranspiration 1-Définitions L'EVAPORATION : est l’ensemble des phénomènes de transformation de l’eau en vapeur par un processus spécifiquement physique. La TRANSPIRATION : est le phénomène physiologique de la transformation de l’eau en vapeur par les être vivants et notamment les végétaux. On regroupe sous le nom d’évapotranspiration l’ensemble des deux processus. Selon la disponibilité de l’eau on distingue : - Evapotranspiration potentielle. - Evapotranspiration maximale. - Evapotranspiration réelle.

2-EVAPOTRANSPIRATION POTONTIELLE«ETP»

2-1-Présentation C’est la valeur maximale possible de l’évapotranspiration dans des conditions climatiques données. On considère dans la pratique, l’évapotranspiration potentielle comme une référence et on la définit comme étant la quantité d’eau évaporée à partir d’une lame d’eau (lac, barrage,) et/ou transpirée par un couvert végétal continue et homogène, dont l’alimentation en eau n’est pas limitée, et qui n’est soumis à aucune limitation d’ordre nutritionnel, physiologique ou pathologique. On l’appelle aussi en agronomie ETo .

On emploie également le terme ETP pour désigner la valeur approchée de l’évapotranspiration potentielle obtenue par le calcul à partir d’une formule fondée sur des données climatiques. Les principaux facteurs du pouvoir évaporant sont : Le déficit hygrométrique ou déficit de saturation de l’atmosphère. La température de l’air. L’insolation. La vitesse et la turbulence du vent.

2-2-Mesure A-Les bacs placés au-dessus du niveau du sol«Bac classe A»

Ces bacs présentent l’avantage d’une installation très simple et leurs résultats ne risquent pas d’être faussés par le rejaillissement des gouttes de pluie qui tombent sur le terrain avoisinant, par contre, ils sont très sensibles aux variations de la température de l’air et aux effets de l’insolation.

B-Les bacs enterrés "Bac colorado" : Ces bacs sont moins sensibles aux influences de la température ambiante et du rayonnement solaire sur les parois, mais bien que leur bord dépasse le niveau du sol d’environ une dizaine de cm. Les gouttes de pluies ayant rebondi sur le sol et les détritus qu’ils recueillent peuvent être la cause d’erreurs de mesure.

Evaporomètre Piche : Surface de papier humide : Il est constitué par un tube cylindrique en verre en forme de U de 25 cm de long et 1.5 cm de diamètre. Ce tube gradué est fermé à sa partie supérieure, tandis que son orifice inférieur est obturé par une feuille circulaire de papier filtre normalisé de 30 mm de diamètre et 0.5 mm d’épaisseur fixée par capillarité et maintenue par un ressort. L’appareil ayant été rempli d’eau distillée, celle-ci est évaporée progressivement par la feuille de papier filtre. La diminution du niveau de l’eau dans le tube permet de calculer le taux d’évaporation.

2-3- Evaluation de l’ETP Le principe de cette étude est l'estimation de l'évapotranspiration potentielle "ETP" en appliquant des modèles empiriques différents: - Modèle de Turc. - Modèle de Thornthwaite. - Modèle de Blanney-Cridle. - Modèle de Penman initial. - Modèle de Penman FAO. -Modèle de ANRH. Ces méthodes ne sont pas en général applicables au Maroc

2-EVAPOTRANSPIRATION MAXIMALE "ETM" : C’est la valeur maximale de l’évapotranspiration d’une culture donnée, à un stade végétatif donné et dans des conditions climatiques données c'est-à-dire la couverture végétale n’est pas nécessairement totale, et elle n’est pas nécessairement en phase active de croissance. Selon la FAO, le besoin en eau d'une culture est "la quantité d'eau nécessaire à couvrir les pertes en eau par évaporation (évapotranspiration de la culture) d'une culture saine, cultivée en grande parcelle, sans contraintes du sol (fertilité et humidité), et réalisant son potentiel de production sous les conditions considérées". Cette définition correspond à l'évapotranspiration maximale d'une culture (ETM) qui dépend du pouvoir d'évaporation de l'air ou demande climatique (ETP ou ETo) et du coefficient cultural (Kc). Ce dernier est en grande partie une caractéristique de la culture, notamment de son degré de couverture du sol.

En matière d'irrigation, on cherche à placer les plantes dans des conditions de production optimales et on base l'irrigation sur la valeur de l'évapotranspiration maximale ETM.

Valeurs usuelles de Kc

grandes cultures (3)

Calcul des besoins en eau Par définition, le besoin en eau d'une culture est équivalent à l'ETM, calculée de la façon suivante: ETM = ETP . Kc Kc

Durée de croissance (j)

CULTURE (2)

(4)

(1)

(2)

(3)

(4)

Orge

1.05

0.25

20

25

60

30

Haricot

0.95

0.85

20

30

30

10

Maïs

1.05

0.55

30

40

40

30

Lentille

1.05

0.30

20

30

60

40

Blé

1.05

0.25

20

25

60

30

Coton

1.05

0.65

30

50

60

55

Besoins en eau de quelques plantes au Maroc Culture Avocat Banane Betterave Blé/orge Canne à sucre Coton Haricot Luzerne Oléagineux Pomme de terre Riz Soja Sorgho Tabac

Besoins en eau : mm 650 - 1000 700 - 1700 450 - 850 300 - 450 1000 - 1500 550 - 950 250 - 500 600 - 1500 300 - 600 350 - 625 500 - 950 450 - 825 300 - 650 300 - 500

3-EVAPOTRANSPIRATION REELLE "ETR" : 3-1-Présentation C’est la quantité d’eau qui s’évapore réellement en fonction de l’eau disponible. Elle intègre l’évapotranspiration d’un couvert végétal dans des conditions réelles données : l’alimentation en eau de la plante peut être limitée par des conditions d’ordre physique (succion du sol), chimique (concentration des solutions), biologique,…

FACTEURS FONDAMENTAUX DE L’VAPOTRANSPIRATION Les facteurs qui conditionnent l’évaporation (généralement exprimé en mm par jour, par mois, par an,...) peuvent être groupés en deux catégories bien distinctes : • Les paramètres caractérisant l’état de l’atmosphère au voisinage de la surface évaporante et son aptitude à provoquer l’évaporation ; ces paramètres régissent le pouvoir évaporant de l’atmosphère (ETP). • Les paramètres caractérisant la nature et l’état de la surface évaporante (surface d’eau libre, neige, glace, sol nu, végétation) ainsi que son aptitude à alimenter l’évaporation et à répondre plus ou moins rapidement aux variations du pouvoir évaporant de l’atmosphère.

ETR L'équation du Bilan hydrique se fonde sur l'équation de continuité et peut s'exprimer comme suit, pour une période et un bassin donnés :

Avec : P : précipitations (liquide et solide) [mm], S : ressources (accumulation) de la période précédente (eaux souterraines, humidité du sol, neige, glace) [mm], R : ruissellement de surface et écoulements souterrains [mm], E : évaporation (y compris évapotranspiration) [mm], S ± ∆S : ressources accumulées à la fin de la période [mm].

Stock d’Humidité du Sol SHS= RFU

Lieu du Stock d’Humidirté du Sol SHS

3-3-Evaluation Formule de Turc Avec : D : déficit d'écoulement [mm], P : pluie annuelle T : température moyenne annuelle [°C]. L = 300 + 25 T + 0.05 T3.

Formule de Coutagne Avec : D : déficit d'écoulement [mm], P : pluie annuelle [mm], m= 1/(0.8 + 0.16 T) : coefficient régional

Formule de Coutagne : D = P –mP²

Si :1/8m < P < 1/2m

Avec : D : déficit d'écoulement [mm], P : pluie annuelle [mm], m= 1/(0.8 + 0.16 T) : coefficient régional Si P1/2m : ETR=

0.2 + 0.035T

Bilan Hydrique journalier ou mensuelle

Le bilan hydrique

Source Expertise sécheresse INRA 2006

Sep ETP mm/mois Pluie (mm/mois) Déchets T/mois Puissance m

Oct

Nov

Déc

Janv

Fév

Mars

avril

Mai

Juin

92,0

68,0

63,0

68,0

95,0

114,0

135,0

160,0

63,4

109,6

322,0

42,7

Juill

Août

Total

en 158,0 122,0 4,0

19,9

33,7

25,4

7,6

1,0

202,0 197,0 0,1

0,2

1474,0 629,6

en 1667,0 1667,0 1667,0 1667,0 1667,0 1667,0 1667,0 1667,0 1667,0 1667,0 1667,0 1667,0 20004,0 en 1,0

1,0

1,0

1,0

1,0

1,0

1,0

1,0

1,0

1,0

1,0

1,0

Surface des déchets (m2) 1667,0 1667,0 1667,0 1667,0 1667,0 1667,0 1667,0 1667,0 1667,0 1667,0 1667,0 1667,0 20004,0 Humidité des déchets mm

16,7

16,7

16,7

16,7

16,7

16,7

16,7

16,7

16,7

16,7

16,7

16,7

RFU

0,0

0,0

0,0

0,0

58,3

100,0

91,4

46,7

0,0

0,0

0,0

0,0

Eau disponible ETR (mm/mois)

20,7

36,6

80,1

126,3

396,9

159,4

141,7

88,8

24,3

17,7

16,8

16,9

20,7

36,6

80,1

68,0

63,0

68,0

95,0

88,8

24,3

17,7

16,8

16,9

200,0

595,7

Excédent mm

0,0

0,0

0,0

0,0

233,9

0,0

0,0

0,0

0,0

0,0

0,0

0,0

233,9

Excédent m3

0,0

0,0

0,0

0,0 4679,6

0,0

0,0

0,0

0,0

0,0

0,0

0,0

4679,6

Bilan hydrique pour l’année exceptionnelle à Essaouira pour un casier de 2 ha

lame d'eau en mm 400.0 Evaporation et précipitations moyennes mensuelles à Zagora

350.0 300.0

Evaporation Précipitation

250.0 200.0 150.0 100.0 50.0 0.0 Sep

Oct

Nov Déc

Jan

Fév Mars Avr

Mai

Juin

Juil Août

Station

Z

Années de mesure

1310 BOUARFA

J S

O

N

D

J

F

M

A

M

Total J

A

366

259

159 240 130 165

annuel 254 306 369 466 546 433 3693

628

401

188 105 90

133

241 216 381 538 736 691 4348

255

184

125 105 69

85

124 174 180 262 322 326 2211

259

167

93 73

56

82

153 198 251 334 413 359 2438

185

1 0 2 60 49

42

51

90 129 171 223 269 244 1615

177

136

94

104

126 125 156 198 258 198 1801

1981-1984

Bac classe A MISSOUR

900

1977-1984

Bac Colorado AIN BNI MATHAR Bac Colorado MELG-ELOUIDANE

920

230

Bac classe A MECHRA190 HOMADI Bac Colorado OUJDA ANGAD 468 Bac classe A

1972-1986

1978-1985

1973-1985

1959-1985

104 93

4-Ruissallement

3-1-Définitions Quantité d’eau qui s’écoule à la surface Rs Eau qui s’écoule dans les terrains superficiels, appelé Ecoulement Hypodermique Eh: R = Rs + Eh

Le comportement du ruissellement dépend des mécanismes hydrologiques qui vont s’y développer. Ces processus sont contrôlés par :  La géométrie du bassin versant  La géométrie du réseau hydrographique  L’occupation du sol,  sa nature et celle du sous-sol  Les conditions aux limites et initiales

Le Bassin versant Surface drainée par un cours d’eau en amont d’un point qui constitue l’exutoire,

Les limites d’un bassin versant sont généralement fixées à partir de la topographie,

exutoire

MNT Les modèles numériques d’altitude (MNA ou MNT) permet aussi de limiter le BV

Le réseau hydrographique Cours d’eau artificiel, naturel, temporaire ou permanent, Caractéristiques Longueurs, Pentes Profil longitudinal Ordre du réseau hydrographique

Le bassin versant transforme la pluie en débit de cours d’eau. ette transformation est : non linéaire varie pour un même BV au cours de l’année, d’une saison à l’autre, d’une crue à l’autre varie d’un BV à l’autre selon les caractéristiques géologiques, pédologiques, anthropiques,…

Courbe hypsométrique

Bassin topographique et Bassin hydrogéologique

3-2-Mesure

Mesure du débit

Jaugeage

Jaugeage

Jaugeage au moulinet

Hydrogramme Mesure des débits: H = f (t) et Q = f (H) → Q = f (t)

Acoustic Doppler Current Profile

Limnimètre

Sonde à pression

Station de jaugeage

Déversoirs

Déversoir

Canal de jaugeage

Mesure par impulsion radar

Jaugeage chimique

Jaugeage chimique

Mesure de l’interception

Evaluation Décomposition de l’hydrogramme

Les facteurs pris en compte dans l’étude du ruissellement • Les paramètres liés au sol : – Indice de battance – « Filtrance » – Présence de rupture de perméabilité

• La pente • L’interception • Le climat : deux périodes distinguées – Une période orageuse, printemps-été – Une période hivernale, automne-hiver 117

Les calculs des paramètres • La « Filtrance » = approximation de la capacité du sol à permettre l’infiltration de l’eau au travers les premiers centimètres du sol – Dépend - de la texture - de l’état de cimentation (calcification) - de la pierrosité

– Trois classes : sols filtrants à très filtrants

sols peu filtrants

sols non filtrants à très grand risque d’asphyxie des 118 plantes

• La pente – Agit sur - les écoulements de surface - les écoulements hypodermiques – Utilisation d’un MNT avec 4 classes de pentes (0-2%, 2-5%, 5-10%, > 10%) – Croisement avec la battance et la « filtrance » – Deux classes finales : Sols non sensibles aux écoulements de surface

Sols sensibles aux écoulements de surface

4-INFILTRATION

4-1-Définition Quantité d’eau qui échappe à l’évaporation et au ruissellement

Infiltration (I)

I SHS

Efficace (Ie)

Ie

Transit de l’infiltration dans la zone non saturée

4-2-Mesure Lysimètre Sonde à neutrons,…

Lysimètre

Mesure de l’humidité de l’air: Sondes à neutrons Mesurent l'humidité volumique du sol en utilisant la propriété qu'ont les neutrons rapides à être ralentis préférentiellement par les atomes d'hydrogène, qui dans le sol sont majoritairement inclus dans les molécules d'eau.

4-2-Evaluation Fluctuation du niveau da la nappe, Coefficient de tarissement, Débit des sources,…

Coefficient de tarissement On appelle "tarissement simple" tout tarissement de nappe, de source, de cours d'eau qui se déroule en conditions semblables à la décharge, d'une nappe souterraine. Le tarissement simple peut être décrit par différentes lois. La "loi exponentielle simple« est l'une des lois les plus appliquées. Celle-ci s'exprime par la relation suivante avec le temps t en seconde :

Où : Q : débit d'étiage au temps t [m3/s] ; α : coefficient de tarissement ; jour-1 Q0 :débit initial au temps t0 [m3/s].

Q = Kch(t) K: perméabilité C: coefficient

H (t) K

Le calcul du volume infiltré V se fait par intégration entre le temps t = t0, et l’infini.

t0

t0

Le calcul du volume d'eau disponible permet d'évaluer la quantité infiltrée qui permet le soutien à l'étiage (plus petit débit observé dans un cours d'eau) en période sèche d'une région donnée.

5- Cycle de l’écoulement

Phase 0 : avant la précipitation ET ≠ 0 et R= 0 ES alimente Q Phase 1 : début de la précipitation ET = 0, Interception ≠ 0 et SHS ≠ 0  R faible et ES continue d’alimenter Q Phase 2 : Milieu de la précipitation ET = 0, Interception = 0 et SHS au maximum  R maximum et ES peut continue d’alimenter Q Phase 3 : Fin de la précipitation ET = 0 et R faible  Q alimente ES

Quelques appareils de mesure climatologique

Insolation

Humidité

Vent La Girouette : Direction du vent

L’Anémomètre: Vitesse du vent

Baromètre

Baromètre-Thermomètre

Ce type de baromètre à mercure a été inventé par l’Italien Evangelista Toricelli en 1643. La pression atmosphérique est proportionnelle à la dénivellation h de mercure. Si la pression atmosphérique augmente, h augmente. Si elle diminue, h diminue. Patm = k . h Au niveau de la mer, par beau temps, si Patm = 1 013 hPa, alors h = 760 mm

,

Barographe

Humidité et température