Observations multi-échelles des précipitations, des transferts d’eau et de flux associés en Ardèche

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Observations multi-échelles des précipitations, des transferts d’eau et de flux associés en Ardèche

Les crues éclairs, qui affectent les régions méditerranéennes, se produisent sur des pas de temps courts et peuvent concerner une gamme variée d’échelles spatiales, depuis les échelles fines (quelques km2) jusqu’aux échelles régionales (quelques 103 km2). Les derniers évènements extrêmes dans le Gard (2002) et dans le Var (2010) ont montré que la plupart des victimes se trouvaient dans des bassins de moins de 20 km2 qui sont généralement non jaugés. Les dégâts matériels occasionnés par les inondations sont principalement dus aux coulées boueuses liées au transport de matière en suspension (MES) pendant les crues. Les objectifs de cette étude sont de comprendre les processus de genèse des écoulements de crue et la non linéarité des réponses pluie-débit-MES à différentes échelles emboitées depuis les versants jusqu’aux échelles moyennes (100-1000 km2). Ce travail s’associe aux études qui visent à mieux comprendre la variabilité spatiale et temporelle de la pluie. Il se situe à l’interface entre les équipes HMCI et RIVER du LTHE. Ce travail s’inscrit dans le cadre de l’Observatoire Hydrométéorologique Méditerranéen Cévennes-Vivarais (OHM-CV) et bénéficie des soutiens scientifiques et financiers de l’INSU, de l’OSUG, de la région Rhône-Alpes (http://cluster-environnement.in2p3.fr), du LTHE (crédits incitatifs 2011) ainsi que des projets ANR Floodscale et HyMeX .

Le site d’étude

Les bassins versants du Gazel (3,4 km2), de la Claduègne (43 km2) et de l’Auzon (116 km2) sont des affluents en rive gauche de l’Ardèche, à l’est d’Aubenas. Ces trois bassins prennent leur source sur le plateau basaltique du Coiron (altitude maximum : 1000 m) et s’écoulent du nord vers le sud en traversant à l’aval des terrains sédimentaires marno-calcaires où la culture de la vigne est bien représentée. Le plateau du Coiron constitue la limite septentrionale du climat méditerranéen. Cette zone n’est pas couverte par le réseau opérationnel de mesures des débits géré par le Service de Prévision des Crues du Grand Delta (SPC-GD) et la Compagnie Nationale du Rhône (CNR). Il n’y a donc pas de série de données de débit disponible. Le LTHE mène des activités expérimentales sur le site du Pradel (Domaine Olivier de Serres) depuis 2003 (Nicolas, 2010).


Méthode

Les observations menées sur les bassins du Gazel, de la Claduègne et de l’Auzon sont multiples. Elles concernent en premier lieu la mesure des précipitations (intensité et énergie) qui inclut le réseau opérationnel des pluviomètres horaires et quotidiens (SPC Grand Delta, EDF et Météo France), le réseau ARAMIS de radars météorologiques (Météo France) et le réseau h-piconet qui est un réseau d’observation de la pluie à très haute résolution. Ce dernier, centré sur le site du Pradel et couvrant une zone d’environ 30 km2, est constitué d’un ensemble de points équipés de pluviomètres et spectro-pluviomètres optiques. Les observations concernent en second lieu des mesures de ruissellement et d’érosion sur parcelles en vigne (60 m x 2 m) au Pradel. Les débits, la concentration en MES et la granulométrie des MES sont suivis à pas de temps fin. Plus récemment, ce réseau d’observation a été complété par la mise en place par le LTHE de deux stations hydro-sédimentaires sur le Gazel et la Claduègne avec des mesures en continu des hauteurs d’eau, de la turbidité, la conductivité et la température et des prélèvements automatiques d’eau et de sédiments en crue.

Actuellement, dans le cadre du projet ANR Floodscale (http://floodscale.irstea.fr/), ce dispositif expérimental est complété par l’installation d’une station de mesure des débits sur l’Auzon (gérée par IRSTEA Lyon) et un réseau de limnimètres dans le réseau hydrographique intermittent des bassins du Gazel et de la Claduègne. Deux radars météorologiques de recherche seront aussi déployés à l’automne 2012 lors de la campagne d’observation intensive du projet HyMeX.

Résultats

Les premiers résultats présentés ici viennent illustrer l’approche multi-échelles mise en place pour l’étude couplée des processus hydrométéorologiques, hydrologiques et sédimentaires. Ces résultats s’appuient sur les mesures effectuées lors de l’épisode pluvieux du début du mois de novembre 2011, plus fort évènement pluvieux depuis l’installation des stations hydro-sédimentaires. Au cours de la période du 1er au 7 novembre, les cumuls enregistrés sur le bassin de l’Auzon sont compris entre 140 et 225 mm. Ces cumuls sont bien inférieurs à ceux enregistrés sur le Tanargue et les Cévennes (jusqu’à plus de 800 mm localement). La journée du 4 novembre est la journée la plus arrosée sur le bassin de l’Auzon. Cette journée est caractérisée par un gradient de précipitation important entre le plateau du Coiron au nord et les parties de plaine au sud comme le montre la carte des précipitations et la chronique des précipitations au pas de temps horaire pour les stations Météo France de Berzème-RAD et Mirabel-SA. La comparaison des mesures de précipitations par pluviomètres au sol et radars météorologiques donne des résultats satisfaisants sur le bassin de l’Auzon.

Les débits aux stations du Gazel et de la Claduègne ont été estimés à partir de courbes de tarage basées sur des premiers jaugeages et une modélisation hydraulique 1D avec HEC-RAS. Pour comparaison, ces débits ont été divisés par la surface drainée pour obtenir des débits spécifiques.

Les parcelles du Pradel réagissent avec un certain retard par rapport aux bassins mais au-delà du 4 novembre après-midi, elles réagissent quasiment instantanément à chaque averse de pluie et les débits spécifiques sont près d’un ordre de grandeur supérieurs à ceux des bassins. Les bassins du Gazel et de la Claduègne présentent deux pics bien marqués et leurs temps de réponse sont très courts. Le bassin du Gazel, constitué majoritairement de plaines cultivées en vigne sur sols argileux se sature progressivement et est plus sensible aux précipitations qui ont lieu en fin de période. Le bassin de la Claduègne qui draine dans sa partie amont une surface de 12 km2 provenant du plateau du Coiron (sols peu épais, lithologie peu perméable et cumuls de pluie plus importants), présente des débits spécifiques supérieurs à ceux du bassin du Gazel et réagit fortement aux précipitations en début d’évènement.


* Pour les débits spécifiques du Pradel, les valeurs ont été multipliées par 0.1 pour la commodité de lecture du graphique.

Les mesures de conductivité de l’eau aux exutoires doivent permettre de mieux cerner l’origine des écoulements (origine spatiale, distinction entre écoulements de surface et de subsurface). La conductivité des eaux souterraines provenant des basaltes est plus faible que celle des eaux provenant des séries marno-calcaires. La conductivité mesurée à la station de la Claduègne est inférieure à celle mesurée à la station du Gazel du fait de la plus grande proportion de basaltes dans le bassin. Les chutes de conductivité observées lors des pics de crue témoignent soit d’apports d’eaux souterraines importants depuis les zones de basaltes soit de ruissellement de surface de manière diffuse sur le bassin.

Enfin, les mesures de turbidité et de SSC (Suspended Sediment Concentration) qui constituent certainement les premières données de ce type sur le bassin de l’Ardèche montrent que les flux de MES sont importants (jusqu’à 10 g/l environ) sur le bassin de la Claduègne dus à la présence de quelques zones de badlands bien connectés avec le réseau hydrographique. Le bassin du Gazel produit moins de MES du fait de l’absence de badlands et de la présence majoritaire de sols argileux comme le confirment les résultats obtenus au niveau des parcelles du Pradel qui présentent aussi des concentrations en MES assez faibles (< 2 g/l). Les procédures de prélèvement doivent être optimisées, en particulier pour le Gazel qui a des variations très rapides de turbidité car les prélèvements effectués ont eu lieu en dehors des trois pics de turbidité.

Références associées

Nicolas M., 2010. Étude expérimentale et numérique du ruissellement de surface : effets des variations d’intensité de la pluie. Application à une parcelle de vigne en Cévennes-Vivarais. Thèse de doctorat, Université Grenoble 1.