SAAFA-76-MRRRCH
Cycle de l’eau dans la nature
Etat de l’art de la modélisation
L’eau est le secret de vie des êtres vivants sur cette terre, représentant 97% de l’eau salée et 3% de l’eau douce, inégalement réparties selon les conditions climatiques Le cycle de l’eau passe par plusieurs étapes (Fig. I.2): L’énergie solaire est la source d’énergie du cycle qui permet une évaporation (E) intense à la surface des océans et à moindre niveau à la surface des continents. A cette action, vient s’ajouter la transpiration des plantes. La transpiration et l’évaporation sont souvent regroupées en un seul terme appelé l’évapotranspiration (E.T.P). La gravité complète le cycle en ramenant les précipitations (P) sur la surface puis dans les ruissellements (R). Quand elle s’infiltre (I) dans le sol, l’eau rencontre différentes régions (Renard, 2007) Le cycle de l’eau dans la nature peut être traduit par cette équation du bilan : Eau dans la planète Eaux saumâtres Eaux douces 97% 3% Rivières, lacs et eaux souterraines Calottes glaciaires 25% 75 % Chapitre I Etat de l’art de la modélisation 3 P = E + R + I avec: * Précipitations (P): Elles sont mesurées à l’aide d’un pluviomètre ou pluviographe. La pluie marquée au compte du jour j comprend la pluie tombée du jour j à 6 heures du matin au jour (j + 1) à 6 heures du matin. C’est la pluie journalière. La pluie mensuelle et la somme des pluies journalières, la pluie annuelle est la somme des pluies mensuelles. En terme de moyenne et de même que pour les autres paramètres climatiques l’OMM (organisation mondiale de météorologie) propose une série d’au moins 30 ans dans la série chronologique pour que la moyenne ait une signification statistique. * Ruissellement (R): C’est l’écoulement en surface et qui est favorisé par un sol imperméable et une pente assez importante. Ce paramètre est déterminé par jaugeage au niveau des oueds. Le ruissellement alimente les retenues de barrages. * Infiltration (I): C’est la partie d’eau qui rejoint le sous-sol pour alimenter les nappes d’eau souterraines. Ce paramètre n’est pas mesuré mais il est souvent déterminé par des méthodes indirectes (surtout par des modèles de simulation hydrogéologiques). * Évapotranspiration: Ce facteur est la résultante de deux paramètres : – Evaporation : perte d’eau dans l’atmosphère qui se produit sur un sol nu. -Transpiration: phénomène biologique qui se produit à l’intérieur des plantes ; grâce à l’énergie lumineuse du soleil, les plantes chlorophylliennes puisent dans le sol par leurs racines l’eau nécessaire à leur développement et la rejettent par leur système foliaire dans l’atmosphère. C’est le phénomène de photosynthèse. Les agronomes distinguent deux types d’évapotranspiration: *L’évapotranspiration potentielle (ETP): c’est l’évapotranspiration qui se produirait lorsque le sol est suffisamment humide et que la surface n’impose aucune contrainte restrictive au flux de vapeur. C’est donc en fait, la quantité d’eau qui serait évaporée et transpirée si les réserves en eau étaient suffisantes pour compenser les pertes maximales. * L’évapotranspiration réelle (ETR): celle que l’on obtient réellement lorsqu’il y a des contraintes (ex : pluies insuffisantes) Les paramètres qui régissent l’évapotranspiration sont: la température, le vent, l’hygrométrie (état d’humidité), le rayonnement, le type de végétation et l’état hydrique du sol (Gouzrou, 2013). Modélisation en hydrologie La modélisation hydrologique est la représentation simplifiée partielle ou totale du cycle hydrologique (Marchandise, 2007). Le terme « modèle » désigne un ensemble de relations mathématiques destiné à trouver une représentation schématique d’un processus donné. En hydrologie, un modèle de transformation Pluie-Débit tente de traduire par des expressions mathématiques des relations qui existent entre les différents processus physiques qui forment le cycle terrestre de l’eau. Une théorie exhaustive et déterministe de tous ces phénomènes est très complexe à mettre sur pied et l’on s’efforce de trouver des simplifications qui permettent de faciliter cette tâche tout en restant le plus proche de la réalité. (Chkir, 1994) En hydrologie, un modèle pluie-débit est généralement défini par : (Fig.I.3) : Les variables d’entrée (variables indépendantes): appelées aussi forçages en raison duØ rôle moteur qu’elles jouent sur un grand nombre de processus. Il s’agit généralement des chroniques de pluie et d’évapotranspiration ou de température. Les variables d’état: qui correspondent aux variables internes du système et qui rendentØ compte de son état. Les variables de sortie (variables dépendantes): qui représentent la réponse du système.Ø Il s’agit généralement des débits à l’exutoire mais aussi parfois de la piézométrie ou d’une autre variable intéressant le modélisateur. Les équations mathématiques qui relient les variables de sortie aux variables d’entrée etØ aux variables d’état. Celles-ci permettent de représenter de façon plus ou moins explicite les processus impliqués dans le fonctionnement du bassin versant étudié. Les paramètres qui interviennent dans les équations du modèle, et qui représentent laØ part non explicitée du fonctionnement du bassin dans ces équations. Ils peuvent avoir une signification physique ou non. Ils servent à adapter les relations régissant le modèle au fonctionnement réellement observe (Perrin et al, 2009).
Etude du milieu
Présentation géographique du bassin versant d’Oued Tafna Le bassin versant de la Tafna, situé au Nord ouest du territoire algérien, s’étend sur la totalité de la wilaya de Tlemcen sur une superficie de 7245 km2 . Selon la nouvelle structuration des unités Hydrologiques en Algérie, le bassin versant de la Tafna appartient à l’ensemble de l’Oranie Chott L’oued Tafna est un cours d’eau de 170 Km de long, il prend sa source dans les Monts de Tlemcen. Globalement, le bassin versant peut être subdivisé en trois grandes parties : – partie orientale : avec comme principaux affluents l’oued Isser et l’oued Sekkak, – partie occidentale : comprenant la Haute Tafna (oued Sebdou et oued Khemis) et l’oued Mouilah – partie septentrionale : qui débute pratiquement du village Tafna et s’étend jusqu’à la plage de Rechgoun, embouchure de la Tafna sur la mer. Les oueds Boukiou, Boumessaoud et Zitoun sont les principaux affluents de cette partie. Présentation du Bassin versant d’Oued Sebdou Le bassin versant d’oued Sebdou faisant partie du bassin versant de la haute de Tafna en amont du barrage de Béni Bahdel (Fig.II.3), est limité: au Nord, par le plateau de Titmokhen,· au Sud, par Djebel Lato, Si Abdellah, Maiter, Zninia, Toumiet et Koudiat el Harcha,· à l’Est, par Djebel Mazoudjène, Djebel El Ahmer, et Djebel el Arbi,· à l’Ouest par le plateau des Azaïls.· Le Nord et le Nord – Est du bassin versant correspondent à un horst jurassique principalement carbonaté. Au Sud et à l’Est, on trouve un graben rempli de sédiments plioquaternaires représentant le Fossé de Sebdou Morphométrie L’écoulement naturel des eaux dans un bassin versant est commandé à la fois par les conditions climatiques et par les caractéristiques physiques du bassin. Nous considérons dans notre travail le bassin versant contrôlé par la station de Sebsou à Sebdou (S = 255,5 km2 ) et non le bassin de Sebdou contrôlé par la station de Sebdou à Béni Bahdel (S = 694,75 km2 ). Les caractéristiques physiques les plus importantes qui jouent un rôle essentiel et qui font l’objet de l’analyse morphométrique sont: la forme, l’ordre des cours d’eau, le relief et les modèles de représentation. Il existe un certain nombre de caractéristiques qui pourront compléter l’analyse morphométrique en particulier, tels que : la densité de drainage, la fréquence des cours d’eau, l’allongement et le profil des cours d’eau.
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Table des matières
REMERCIEMENTS
DEDICACES
RESUME
LISTE DES ABREVIATIONS
LISTE DES FIGURES
LISTE DES TABLEAUX
TABLES DES MATIERES
Introduction générale
CHAPITRE I. Etat de l’art de la modélisation
I.1. Introduction
I.2. Cycle de l’eau dans la nature
* Précipitations (P)
* Ruissellement (R
* Infiltration (I
* Évapotranspiration
– Evaporation
-Transpiration
*L’évapotranspiration potentielle (ETP
* L’évapotranspiration réelle (ETR
I.3. Modélisation en hydrologie
Ø Les variables d’entrée (variables indépendantes)
Ø Les variables d’état
Ø Les variables de sortie (variables dépendantes)
Ø Les équations mathématiques
Ø Les paramètres qui interviennent dans les équations du modèle
§ Fonction de production
§ Fonction de transfert
I.4. Quel est l’objectif d’un modèle pluie – débit
a) Simulation de débits
b) Prédétermination des débits de crue ou d’étiage
c) Prévision des crues et des étiages
d) Influence d’aménagements sur l’hydrologie
I.5. Classification des modèles hydrologiques
* Modèle mécaniste
* Modèle conceptuel
* Modèle empirique
I.5.1. Modèle déterministe
I.5.2. Modèle stochastique
I.5.3.Model à base physique
I.5.4. Modèle paramétrique
I.5.5. Modèle conceptuel ou « modèle conceptuel à réservoirs »
I.5.6. Modèle analytique
I.5.7. Modèles empiriques
I.5.8. Modèle global ou distribué
I.6. Etapes de la modélisation
I.6.1. Identification
I.6.2.Calage
Ø Calage manuel
Ø Calage automatique
Ø Calage mixte
I.6.3.Validation (évaluer
I.7. Critères d’évaluation de la modélisation
a) Critère de Nash-Sutcliffe
b) Erreur moyenne absolu
c) Erreur quadratique moyenne
d) Critère C2M
e) Critère du bilan
f) I.8. Performance d’un modèle
I.9. La robustesse
I.10. Présentation de quelques types de modèles
a) TOPMODEL
b) IHACRES
c) MIKE SHI
d) GIBSI
e) TOPKAPI
I.11. HBV Light
a- Description Mathématique
v Routine de neige
v Température
v Evaporation potentielle
a.1. Fonte des neiges et l’accumulation de neige
a.2. Précipitations efficaces et Humidité du sol
Ø Relation entre l’humidité du sol et la capacité du champ des eaux de ruissèlement
a.3. Evapotranspiration
a.4. Réponse des eaux de ruissellement
I.12. Modèle GR du Génie Rural
I.12.1 Description du modèle pluie-débit annuel GR1A
a) Description mathématique
b) Paramètre
I.12.2. Modèle pluie-débit mensuel GR2M
a- Description mathématique
· Production
b) Paramètres
I.12.3. Modèle pluie-débit journalier GR4j
a-Description Mathématique
Ø La phase d’interception
Ø La fonction de production
b-Paramètres
I.13. Conclusion
CHAPITRE II. Etude du milieu
II.1. Situation géographique
II.1.1. Présentation géographique du bassin versant d’Oued Tafna
– partie orientale
– partie occidentale
– partie septentrionale
II.1.2. Présentation du Bassin versant d’Oued Sebdou
II. 2. Morphométrie
II.2.1. Caractéristiques de forme
II.2.1.1. Indice de compacité de Gravelius
II.2.1.2 Rectangle équivalent
· Longueur (L
· Largeur (l
II.2.2. Etude du réseau hydrographique
II.2.2.1. Etude du chevelu hydrographique
II.2.2.1.1 Densité de drainage
II.2.2.1.2 Rapport de confluence (Rc
II.2.2.1.3.Rapport des longueurs (RL
II.2.3. Paramètres du relief
II.2.3.1 Répartition altimétrique
a)Courbe hypsométrique
II.2.3.2. Indices de pente et relief
a- Indice de pente de Roche Ip
b- Indices de pente global
c-Dénivelée spécifique (Ds
II.2.3.3. Coefficient de torrentialité
II.2.3.4. Temps de concentration
II.3. Sol et végétation du bassin versant d’Oued Sebdou
II.4. Contexte géologique et hydrogéologique
II.4.1. Géologie d’Oued Sebdou
II.4.2. Analyse lithostratigraphique
II.4.2.1. Séries anciennes
a) les grés de Boumediène
b) Les calcaires de Zarifet
c) Dolomies de Tlemcen
d) Marno-calcaires de Raouraï
e) Dolomies de Terny
f) Marno-calcaires de Hariga
g) Marno-calcaires d’Ouled Mimoun « Tithonique supérieur
h) Argiles de Lamoricière (Berriasien-Valanginien
i) Grès de Berthelot (Hauterivien
II.4.2.2 Séries récentes
a. Formation de Sebdou
b. Formation Quaternaire
c. Travertins
d. Alluvions récentes
II.4.3. Reconstitution du Log Litho-stratigraphique
II.4.4.Cadre structural
II.4.4.1. Analyse structurale
II.4.5. Hydrogéologie de la région d’étude
II.4.5.1. Formations à fort potentiel aquifère
· Dolomie de Tlemcen
· Alluvions plio-quaternaires
II.4.5.2.Formations à faible potentiel aquifère
– Grès de Bou-Médine
– Marno-calcaires de Raourai, Hariga et d’Ouled Mimoun
– Argiles de Lamoricière
a-Aquifères karstiques perchés
Ø Synclinal de Merchiche
Ø Bassin de Meffrouche
b- Aquifères drainés par un oued
c- Aquifères s’enfouissant sous le Miocène au Nord des Monts de Tlemce
II.5. Conclusion
CHAPITRE III. Hydroclimatologie
III.1. Introduction
III.2. Présentation de la station
III.3. Etude des précipitations
III.3.1. Variation de la pluviométrie interannuelle
III.3.2. Etude statistique des précipitations annuelle à la station de Sebdou
a.Adéquation des données à une loi d’ajustement
a.1. Ajustement par la loi normale
b. Calcul des Précipitations pour une période de récurrence donnée
III.3.3. Variation des précipitations mensuelles
III.3.4. Variation des précipitations saisonnières
III.3.5. Variation des précipitations journalières
III.4. Etude des Températures
III.4.1.Variation des Températures interannuelles
III.4.2.Variation des Températures moyennes mensuelles
III.4.3 Étude du climat
III.4.3.1. Méthode de visualisation (méthode graphique de Gaussen et Bagnouls
III.4.3.2. Indice d’aridité de De. Martonne
a) Indice d’aridité annuel de De. Martonne
b) Indice d’aridité mensuel de De.Martonne
III.5. Evapotranspiration potentielle (ETP
a. Méthode de Thornthwaite
b. Formule de L. Turc (1954
III.6. Evapotranspiration réelle (ETR
III.7. Calcul du bilan hydrologique par la méthode de Thorthwaite
III.8. Calcul du ruissellement « R »
III.9. Etude des débits
III.9.1.Variation interannuelle des débits
III.9.2. Variation moyenne mensuelle des débits
III.9.3. Variation saisonnière des débits
III.9.4. Variation journalière des débits
III.10. Etude des lames d’eau écoulées
III.10.1.Variation interannuelle des lames d’eau
III.10.2.Etude statistique des lames d’eau écoulées
a- Ajustement des lames d’eau écoulées annuelles à loi Log normale
b. Calcul des lames d’eau pour une période de récurrence donnée
III.10.3. Variation mensuelles des lames d’eau écoulées
III.10.4. Variation saisonnière des lames d’eau écoulées
III.10.5. Variations journalières des lames d’eau écoulées
III.11. Conclusion
CHAPITRE IV. Modélisation de la fonction pluie-débit d’oued Sebdou
IV.1. Introductio
IV.2. Application du modèle HBV Light
a. Calage du modèle
b. Validation du modèle
IV.3. Application du modèle GR4J
a. Calage du modèle
b .Validation du modèle
IV.4. Comparaison des performances du modèle HBV Light et GR4J
IV.5. Modèle annuel GR1A
a. Calage du modèle
IV.6. Modèle mensuel GR2M
a. Calage du modèle
b. Validation du modèle GR2M
IV.7. Conclusion
Conclusion générale
Références bibliographiques
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