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Projet PGRN 1991 - Grésillon
Titre Aide à la prévision de crues par mesure du stock d'eau moyen dans le sol d'un bassin versant
Programme Programme départemental CG38/PGRN
Durée 1991-1992

Objets et thématiques de recherche :

Types de risques Crues et inondations
Mots-clés Hydrologie - Mesures de terrain - Teneur en eau du sol - Constante diélectrique - Mesures TDR - Calibration - Mesures gravimétriques - Outil d’aide à la prévision des crues
Thématiques Connaissance des phénomènes - Prévision des aléas
Sites d'étude Utilisation du TDR comme outil d’auscultation sur le bassin versant des "Maurets" (affluent du Réal Collobrier, Massif des Maures, département du Var, région PACA)

Partenaires, contacts :

Organisme pilote LTHE (Laboratoire d’Etude des Transferts et Hydrologie et Environnement), Grenoble
Partenaires -
Coordination Jean-Michel GRÉSILLON
Contacts Jean-Michel GRÉSILLON (Directeur de recherche au Cemagref de Lyon, Equipe Hydrologie) : gresillon@lyon.cemagref.fr

Charles OBLED (LTHE) : 04 76 82 50 53 - charles.obled@hmg.inpg.fr

Financement du projet :

Budget total ?
Financement (€) Financement CG38 : 4,573 k€ (30 kF) pour l'acquisition de l’appareil TDR (Time Domain Reflectrometry)
Part (%) Part du financement CG38 : ?%

Contenu :

Résumé Ce projet s'inscrit dans deux programmes de recherche plus vastes :
- GIS "Real Collobrier" regroupant : Cemagref d’Aix en Provence, le laboratoire de télédétection du CEMAGREF et de l’ENGREF de Montpellier, l’UJF et l’Institut Polytechnique de Grenoble, le labo d’hydrogéologie de l’Univerité d’Avignon, le laboratoire d’Hydrologie Mathématique de l’Université de Montpellier, l’URA 903 du CNRS à Aix en Provence.
- Programme européen avec le CEMAGREF de Grenoble (division PE), le Centre pour la Recherche sur les Systèmes Environnementaux de l’Université de Lancaster (UK), l’Institut des Sciences de la Terre à Barcelone (Espagne), le Centre de Biologie Appliquée de Murcia (Espagne) et l’Université Autonome de Barcelone et d’Alicante (Espagne).

L'équipe Hydrologie de Surface du LTHE s'intéressait depuis longtemps à la prévision des crues. En effet la prévention contre les très importants dégâts matériels provoqués chaque année par les débordements des rivières passe en premier lieu par une amélioration de notre connaissance des mécanismes mis en jeu à l'occasion de la transformation de la pluie en débit. Dans ce contexte, l’équipe avait contribué dans le passé au développement de certaines modélisations mathématiques notamment celles qui permettent d'avoir accès à la " fonction de transfert" d'un bassin versant, c'est à dire à sa manière propre d'étaler dans le temps une pluie instantanée uniformément repartie sur le bassin.

L’intérêt s'est ensuite porté sur une question plus difficile encore: Au cours d'une crue, quelle proportion de la pluie se soustrait au ruissellement par le biais de l'infiltration ou de l'interception par les végétaux et quelle autre parviendra à la rivière ? L'état hydrique d'un bassin versant avant qu'il ne reçoive la pluie conditionne bien entendu largement la réponse à cette question. En effet, les modèles de transformation de la pluie en débit nécessitent tous une "initialisation" c'est à dire l'introduction d'un paramètre en début d'épisode, et tous les travaux montraient alors que, quelque soit le modèle, la valeur de ce paramètre d'initialisation dépend beaucoup de l'état initial du bassin que traduit bien le débit initial de la rivière lorsqu'il existe. Malheureusement en période sèche et notamment dans les petits bassins versants, le débit d'étiage peut devenir nul et un autre index de l'état hydrique d'un bassin versant que le seul débit initial est nécessaire. Mais à quel endroit, à quelle profondeur faut-il mesurer cet "état hydrique" pour mieux prévoir le comportement hydrologique d'un bassin ?

Toute ces questions renvoient en définitive à cette autre plus fondamentale: Comment et où se forment les débits sur un bassin versant. L’équipe s'était impliquée dans cette problématique quelques années auparavant, notamment par le biais d'un travail expérimental sur bassin versant méditerranéen (le REAL COLLOBRIER) comprenant mesures piézométriques, tensiométriques, caractérisation hydrodynamique des sols etc. Dans le dispositif expérimental manquait un élément pourtant essentiel pour caractériser l'état hydrique d'un bassin: la mesure de la teneur en eau des sols.

Les moyens alors disponibles pour la mesure de cette teneur en eau consistaient soit à prélever des échantillons pour déterminer directement leurs teneurs en eau (mesure destructive), soit à procéder à une mesure indirecte par sonde à neutron. La première méthode est lourde et longue à mettre en œuvre, la seconde est délicate, ponctuelle et limitée à des points de mesure bien précis. Ce projet visait à donner accès à l’équipe à une méthodologie nouvelle, utilisant la modification des propriétés électriques des sols en fonction de leur teneur en eau.

Objectifs Développer une méthodologie rapide et simple pour parvenir mesurer la teneur en eau du sol, estimée à partir d’une mesure de ses propriétés électriques.

Développer un outil d’aide à la prévision des crues.

Méthodologie 1) Définition des procédures d’utilisation, calibration, test des performances (fiabilité, précision) dans différentes circonstances, et contrôle des éventuelles limites du Time Domain Reflectrometry (TDR).

Cet appareil de la marque TEKTRONIX (Oregon, USA) mesure la vitesse de propagation d’une onde électromagnétique dans le sol, déduite de l’intervalle de temps séparant l’entrée de l’onde dans le sol et sa réflexion à l’extrémité d’un guide d’onde de longueur connue, la constante diélectrique de ce sol étant supposée uniquement fonction de sa teneur en eau volumique, selon une relation empirique (Topp et al.) applicable à "presque tous les sols".

- Test de la reproductibilité des mesures (comparaison des résultats de 4 mesures successives pour chacune des 22 expériences réalisées : 1 expérience = une densité et une teneur en eau) ;
- Test de la qualité de la relation empirique entre constante diélectrique et teneur en eau : Mesure en laboratoire à partir de mesures conjointes avec le TDR et avec une méthode gravimétrique (pésage, séchage) sur un échantillon de sableux, et réalisation des mêmes mesures "contradictoires" sur le terrain (calibration de l’appareil et vérification de l’unicité de la relation teneur en eau / constante diélectrique du sol).

2) Utilisation du TDR pour des mesures sur le terrain utiles pour la prévision des crues (toujours en phase active lors du rapport) : instrumentation d’un versant du bassin des "Maurets" en tensiométrie et en piézométrie.

Résultats et produits de la recherche :

Résultats 1) Validation de la méthode TDR :
- Mise en évidence d’une bonne reproductibilité des mesures (intervalle de confiance de 95%), mais aussi d’une surestimation des teneurs en eau avec la formule empirique utilisée (possibilité d’une légère sensibilité des mesures TDR à la densité du sol).
- Re-calibration du modèle à partir des mesures expérimentales en optimisant la relation empirique entre teneurs en eau gravimétriques et TDR (R2=0.988).

2) Utilisation du TDR sur un transect étudié sur le bassin des Maurets pour étudier l’infiltration de l’eau dans le sol et tenter de vérifier la présence de zones saturées à proximité de la rivière.

Livrables Acquisition de l’appareil de mesure TDR (Time Domain Reflectrometry) par le LTHE

Méthodologie de mesure TDR de la teneur en eau du sol

Rapport au PGRN

Diffusion :

Publications et communications - LEONARD J. 1992: Water Ressources Systems Engineering: laboratory and field tests on the Time Domain Reflectometer / Unsaturated and saturated zone modelling of infiltration - recharge using SEEP/W, Master of Science Dissertation. Réalisé au LTHE dans le cadre d'un stage ERASMUS (Mai-Sept. 1992) University of Newcastle/T (U.K.).

- OBLED C. et GRESILLON J. M. : Prévision des crues. Expérimentation et modélisation cognitive de petits bassins versants de montagne. Rapport final - Contrat Etat-Région 1990-91-92 (1993).

Pages web -

Débouchés du projet :

Produits de la recherche Instrumentation Méthodologie Rapport scientifique
Production scientifique - Méthodologie innovante
- Production de connaissances pratiques / opérationnelles
Utilisateurs Chercheurs du LTHE et partenaires scientifiques
Partenariats *

Retombées Utilisation de l’appareil TDR de manière "opérationnelle" (courbes caractéristiques de succion des sols utilisées dans le cadre du projet PGRN 1992 : Simulateur de pluie physique : "le simulateur de pluie, outil de mesure des caractéristiques hydrodynamiques des sols")

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