Soutenance mémoire
A Madagascar, les études hydrologiques se limitent le plus souvent à l’application des méthodes plus ou moins empiriques dont la plus courante est celle de Louis DURET, faute de données. La modélisation hydrologique des bassins versants a cependant beaucoup évolué au cours de la dernière décennie. Des outils performants sont maintenant disponibles gratuitement aux sites Internet des grands instituts de recherche scientifiques des pays développés comme : les Etats Unis, le Canada ou la France. Dans le cadre de la présente étude, nous nous sommes intéressé plus particulièrement au système de modélisation hydrologique HEC-HMS (Hydrologic Engineering Center – Hydrologic Modeling System). C’est un modèle conçu par l’U.S. Army Corps of Engineers (Etats Unis) et qui figure parmi les modèles les plus reconnus et les plus utilisés dans les pays anglosaxons et quelques pays francophones. Nous l’avons retenu comme outil de modélisation dans le cadre de ce travail de mémoire de fin d’études, du fait des expériences acquises sur son utilisation et ses exploitations. Grâce à la collaboration entre le bureau d’études SOMEAH (Société Malagasy d’Etudes et d’Applications Hydrauliques) et l’Ecole Supérieure Polytechnique d’Antananarivo (ESPA), j’ai eu l’occasion de faire mon mémoire de fin d’études qui s’intitule : « Modélisation hydrologique de la rivière Mamba ». La Mamba est un des affluents de la rivière IKOPA au niveau de la plaine d’Antananarivo. Elle est aussi la moins connue parmi les affluents de cette rivière. Cependant, c’est une rivière importante au regard des points suivants :
– Irrigation de la plaine agricole (Laniera),
– Exutoire du système d’assainissement pluvial de la ville d’Antananarivo (station de pompage d’Ambodimita) : son niveau en période de crues conditionne le fonctionnement de la station,
– Apport d’eau non négligeable en crue au niveau de la plaine d’Antananarivo (Exemple : fin décembre 2004),
– Traversée de sa plaine par la route nationale (RN3),
– Exploitation envisagée des eaux de la Mamba et d’une partie de sa plaine pour renforcer l’adduction d’eau potable d’Antananarivo (Schéma Directeur d’AEP d’Antananarivo, BCEOM, 2003).
GENERALITES
Définition :
Le mot ‘bassin versant’ désigne la surface d’interception des précipitations alimentant un cours d’eau. C’est l’unité de toute étude hydrologique.
Les types de bassins versants
Il y a deux types de bassin versant :
– Bassin versant réel : relatif à l’exutoire donné, c’est le domaine pour lequel toute précipitation qui tombe dessus afflue vers l’exutoire ;
– Bassin versant topographique : c’est le domaine pour lequel le ruissellement provoqué par les précipitations afflue vers l’exutoire. Le bassin versant topographique est obtenu par le tracé joignant de crête en crête les courbes de niveau.
LOCALISATION DE LA ZONE D’ETUDES ET SITUATION GEOGRAPHIQUE
La rivière Mamba prend sa source au Nord-Est d’Antananarivo. Elle rejoint l’IKOPA entre le pont de Mahitsy et le confluent de la Sisaony. Elle draine un bassin versant d’ une superficie totale de 94Km² à l’entrée de la plaine d’Antananarivo (au pont de Sabotsy-Namehana).
CLIMATOLOGIE DE LA REGION
Par sa situation géographique, la région de Mamba appartient à la zone tropicale. Cette zone est caractérisée par un climat tempéré de type tropical d’altitude. Il existe deux saisons nettement tranchées :
➤ La saison de pluie qui commence au mois de Novembre et se prolonge jusqu’au mois de Mars, et est influencée par les cyclones venant de l’Est ;
➤ La saison sèche qui débute du mois d’Avril pendant lequel on observe encore les dernières averses, se termine au mois d’Octobre.
La pluviométrie moyenne annuelle est autour de 1300mm. Sur l’ensemble de l’année, la température moyenne est de l’ordre de 22°C, la valeur minimale peut tomber jusqu’à 16°C en juillet et la maximale peut atteindre 29°C. [source : Service Météorologique Nationale, 2003] .
INFRASTRUCTURES ROUTIERES EXISTANTES
La plaine du bassin est traversée par une route nationale RN3(goudronnée) qui relie la capitale avec le district d’Anjozorobe. On y trouve également des routes secondaires( en terres) qui relient quelques villages de la région.
VEGETATION
Les versants sont sujets à une forte exploitation agricole : les paysans font des cultures de spéculations comme : les cultures des maniocs, des maïs, des haricots, des patates douces, des taro,…. Il y a peu de végétation ce qui favorise un ruissellement important dû à une faible infiltration dans les sols.
CARACTERISTIQUES DU BASSIN VERSANT
En général, le bassin versant est caractérisé par :
➤ la superficie,
➤ la longueur du drain principal,
➤ la pente moyenne,
➤ le coefficient de ruissellement global, qui est évalué par la procédure suivante : le bassin versant est découpé en zones homogènes du point de vue du ruissellement et l’occupation des sols(zones urbanisées, zones boisées, terrains agricoles…), puis le coefficient de ruissellement est évalué en pondérant les superficies des différentes zones par leurs coefficients de ruissellements associés.
Superficie et Périmètre du bassin versant Mamba
On mesure sur la carte par planimétrie ou par la méthode des petits carreaux la superficie du bassin versant. A l’aide du SIG (Système d’Informations Géographiques)sur MAPINFO, nous avons pu calculé la surface et le périmètre du bassin versant Mamba et nous avons trouvé :
Sbv = 94Km².
P = 45 Km
Ces résultats sont obtenus à partir d’une carte topographique de la Mamba à l’Echelle 1/100.000, scannée puis traitée sur MAPINFO.
ASPECTS THEORIQUES SUR LES ETUDES HYDROLOGIQUES D’UN BASSIN VERSANT
GENERALITES
L’hydrologie peut être définie brièvement comme la science qui étudie le cycle de l’eau dans la nature et l’évolution de celle-ci à la surface de la terre et dans le sol, sous ses trois états : liquide, solide et gazeux ; l’une des branches principales est consacrée à l’analyse du débit des crues des cours d’eau. [ Hydrologie de l’Ingénieur, Réminieras, Edition Eyrolle] L’hydrologie fait appel à des nombreux sciences, certaines rattachées à la physique du globe telle que : la météorologie, la climatologie, la géographie physique, la géologie, etc. Donc l’hydrologie est devenue aujourd’hui une technique importante de l’art de l’ingénieur intéressé à l’exploitation ou au contrôle des eaux naturelles.
BILAN HYDRIQUE
– La pluie qui tombe s’infiltre entièrement dès qu’elle arrive sur le sol car elle est captée par les cavités naturelles ou par les racines des végétations pour remplir les vides du sol. Au fur et à mesure que la capacité d’infiltration du sol diminue, les dépressions superficielles se remplissent et il se forme une mince pellicule d’eau à la surface du sol;
– Lorsque la rétention superficielle n’augmente plus, l’eau commence à ruisseler. Le volume d’eau ruisselé est égal au volume d’eau précipité diminué de celui qui a été infiltré. De micro – canaux en rigoles, l’eau rejoint le réseau hydrographique du bassin pour arriver à l’exutoire. A l’exutoire, le débit augmente avec les apports des points les plus éloignés jusqu’à ce que l’eau tombée sur ces points arrivent au bout d’un temps Tc appelé « Temps de concentration » ;
– Une partie, qu’on néglige généralement, s’évapore dans l’atmosphère due au rayonnement solaire.
On peut les résumer dans une seule formule :
P = I + R + E ± ∆ S
Avec :
P : représente la précipitation,
I : quantité d’eau infiltrée,
R : ruissellement,
E : Evapotranspiration – Evaporation,
∆ S : variation de la réserve souterraine.
REPONSE HYDROLOGIQUE
Définition
La manière dont réagit le bassin versant lorsqu’il est soumis à une sollicitation se nomme : Réponse hydrologique. Une averse tombant sur un bassin versant aura pour conséquence, en une station de contrôle située sur le cours d’eau, une réponse pouvant être nulle (absence de modification de l’écoulement ou absence de crue) ou positive (écoulement modifié ou crue). Cette réponse peut être :
• RAPIDE : La réponse rapide est imputable aux écoulements de surface ou, par exemple, à un effet piston, ou encore à l’effet de la macro porosité du sol.
• RETARDE : C’est notamment le cas lorsque la réponse hydrologique est due principalement aux écoulements souterrains.
De plus, la réponse peut être différentiée selon que cette dernière est :
➤ TOTALE : Dans ce cas, la réponse hydrologique est composée à la fois par des écoulements de surface et souterrains.
➤ PARTIELLE : C’est à dire lorsque la réponse est la résultante d’un ou l’autre des processus décrit précédemment.
Facteurs d’influence de la réponse hydrologique :
La réponse hydrologique d’un bassin versant est influencée par une multitude de facteurs tels que ceux liés :
➤ Aux conditions climatiques du milieu,
➤ A la pluviosité (répartition spatiale et temporelle, intensité et durée),
➤ A la morphologie du bassin versant (forme, dimension, altimétrie, orientation des versants),
➤ Aux propriétés physiques du bassin (nature des sols, couverture végétale),
➤ A la structuration du réseau hydrographique (extension, dimension, propriété hydrauliques),
➤ Aux états antécédents d’humidité des sols.
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Table des matières
INTRODUCTION
Partie –I ETUDES DE LA RIVIERE ET DU BASSIN VERSANT MAMBA
1.1. GENERALITES
1.1.1. Définition
1.1.2. Les types de bassin versant
1.2. LOCALISATION DE LA ZONE D’ETUDES ET SITUATION GEOGRAPHIQUE
1.3. CLIMATOLOGIE DE LA REGION
1.4. CONTEXTE GEOLOGIQUE
1.5. INFRASTRUCTURE HYDROAGRICOLE EXISTANTES
1.6. INFRASTRUCTURES ROUTIERES EXISTANTES
1.7. VEGETATION
1.8. CARACTERISTIQUES DU BASSIN VERSANT
1.8.1. Superficie et Périmètre du bassin versant Mamba
1.8.2. Longueur du drain principal
1.8.3. Coefficient de Compacité de Gravelius
1.8.4. Rectangle équivalent
1.8.5. Indice de pente et pente moyenne
1.8.6. Coefficient de ruissellement
Partie-II ASPECTS THEORIQUES SUR LES ETUDES HYDROLOGIQUES D’UN BASSIN VERSANT
2.1. GENERALITE
2.2. CYCLE DE L’EAU
2.3. BILAN HYDRIQUE
2.4. REPONSE HYDROLOGIQUE
2.4.1. Définition
2.4.2. Facteurs d’influence de la réponse hydrologique
2.5. TRANSFORMATION DE LA PLUIE EN HYDROGRAMME DE CRUE
2.6. HYDROGRAMME UNITAIRE
2.6.1. Définition
2.6.2. Les hypothèses
2.6.3. Principe de superposition et de proportionnalité de l’hydrogramme unitaire
2.6.4. Hydrogramme unitaire synthétique
2.6.5. Hydrogramme unitaire de Snyder
2.6.6. Hydrogramme unitaire du SCS
2.7. Hydrogramme en S
2.8. ESTIMATION DES DEBITS DE CRUES
2.8.1. Formule rationnelle
2.8.2. Méthode Louis Duret
2.9. LAMINAGE EN RIVIERE DE MUSKINGUM
Partie-III MODELISATION HYDROLOGIQUE
3.1. UTILITE D’UNE MODELISATION HYDROLOGIQUE
3.2. DEFINITION D’UN MODELE
3.3. LES MODELES HYDROLOGIQUES
3.3.1. Définition d’un modèle hydrologique
3.3.2. Les modèles probabilistes
3.3.3. Les modèles déterministes
3.3.4. Les composantes d’un modèle hydrologique
a)- La Fonction de Production
b)- La Fonction de Transfert
3.3.5. Les données requises pour un modèle hydrologique
a)- Le bassin versant
b)- La Topographie
c)- Le réseau hydrographique
d)- Caractéristiques des cours d’eau
e)- Données climatologiques
f)- Données hydrométriques
3.3.6. Calage et Validation des modèles hydrologiques
3.3.6.1. Procédure générale de calage
3.3.6.2 Les types de paramètres à calibrer
Partie -IV LE MODELE HYDROLOGIQUE HEC-HMS – APPLICATION A LA RIVIERE MAMBA
4.1. DESCRIPTION GENERALE DU LOGICIEL HEC-HMS
4.1.1. Le Modèle de bassin
4.1.2. Le Modèle Météorologique
4.1.3. Le Contrôle de spécification
4.2. DEMARRAGE DU MODELE HEC-HMS
4.3. ETAPES D’UNE SIMULATION AVEC HEC-HMS
4.4. APPLICATION DU MODELE A LARIVIERE MAMBA
4.4.1. Découpage du bassin versant Mamba en six sous bassins
4.4.2. Schéma topologique de la Mamba
4.4.3. Données de modèle de bassin pour le cas de la Mamba
4.4.3.1. Données des sous bassins
4.4.3.2. Données des Tronçons
4.4.4. Données du modèle Météorologique
4.4.5. Définition des paramètres de la Simulation
4.5. RESULTATS
4.6. COMPARAISON AVEC LES RESULTATS OBTENUS A PARTIR DES METHODES CLASSIQUES
4.7. CONCLUSION PARTIELLE
4.8. ANALYSE DE SENSIBILITE
CONCLUSIONS GENERALES
