Diagnostic hydrologique

Comprendre, mesurer et simuler les chemins de l’eau

Dans un jardin, un verger ou une ferme résiliente, l’eau constitue l’une des infrastructures fondamentales du système.

Avant de chercher à augmenter les apports par irrigation, il faut comprendre ce que devient naturellement chaque pluie.

Une même précipitation peut :

rester temporairement sur le feuillage ;
s’évaporer ;
ruisseler ;
s’infiltrer ;
être stockée dans le sol ;
être absorbée par les racines ;
alimenter une zone humide ;
rejoindre un cours d’eau ;
contribuer à la recharge d’une nappe ;
ou quitter rapidement la parcelle.

Le diagnostic hydrologique consiste donc à reconstruire le bilan et les chemins de l’eau.

L’objectif n’est pas simplement de trouver de l’eau : il est de comprendre où elle passe, à quelle vitesse, dans quelle quantité et sous quelle forme.

1. Le cycle hydrologique à l’échelle du site

À l’échelle d’un jardin ou d’une ferme, le cycle de l’eau peut être représenté par :

précipitations

↓

interception

↓

infiltration + ruissellement

↓

stockage dans le sol

↓

absorption racinaire

↓

évapotranspiration

↓

écoulement souterrain / drainage

↓

restitution au milieu

Une partie de l’eau peut également être temporairement stockée dans :

mares ;
bassins ;
fossés ;
noues ;
zones humides ;
réservoirs ;
sols ;
nappes.

2. Les précipitations

Le premier diagnostic consiste à caractériser les apports.

Il faut distinguer :

pluie annuelle ;
pluie mensuelle ;
pluie journalière ;
pluie horaire ;
intensité maximale ;
durée des épisodes ;
saisonnalité.

Une quantité annuelle importante ne garantit pas une bonne disponibilité pour les plantes.

Deux territoires recevant 700 mm/an peuvent présenter des bilans hydriques totalement différents si l’un reçoit des pluies régulières et l’autre des épisodes courts et intenses séparés par de longues sécheresses.

3. L’intensité des précipitations

L’intensité de pluie est fondamentale pour comprendre le ruissellement.

Une pluie faible et prolongée peut favoriser l’infiltration.

Une pluie très intense peut dépasser la capacité instantanée d’infiltration du sol et provoquer un ruissellement important.

Il faut donc distinguer :

volume total de pluie

débit instantané généré par la pluie.

4. L’interception par la végétation

Une partie des précipitations est interceptée par :

feuilles ;
branches ;
troncs ;
litière.

Cette eau peut ensuite :

s’évaporer ;
s’écouler le long des troncs ;
atteindre progressivement le sol.

La structure de la végétation modifie donc le fonctionnement hydrologique.

5. Le stemflow

Le stemflow correspond à l’eau qui ruisselle le long des troncs et branches principales avant d’atteindre le sol.

Il peut concentrer localement l’eau à proximité du pied des arbres.

Cette concentration peut être importante dans certains systèmes agroforestiers.

6. Le ruissellement

Le ruissellement apparaît lorsque l’eau arrivant à la surface ne peut pas être infiltrée suffisamment rapidement ou lorsque certaines conditions de saturation sont atteintes.

Il dépend notamment :

de l’intensité de pluie ;
de la pente ;
de la texture du sol ;
de la structure ;
de la porosité ;
de la couverture végétale ;
de la compaction ;
de l’humidité initiale.

7. Ruissellement diffus et concentré

Il faut distinguer :

Ruissellement diffus

L’eau se déplace sous forme de film ou de petits écoulements répartis.

Ruissellement concentré

L’eau se rassemble progressivement dans des :

rigoles ;
fossés ;
talwegs ;
ravines.

Le second peut devenir beaucoup plus érosif.

8. Les chemins de l’eau

La cartographie doit identifier les trajectoires principales :

point haut

↓

surface contributive

↓

zone de concentration

↓

point bas

↓

stockage ou évacuation.

Ces trajectoires constituent le réseau hydrologique fonctionnel du site.

9. Cartographie des directions d’écoulement

À partir du relief, on peut calculer la direction probable de l’écoulement de surface.

Un modèle numérique de terrain permet notamment d’identifier :

directions d’écoulement ;
zones de convergence ;
zones de divergence ;
talwegs ;
bassins contributifs.

10. Accumulation des flux

Une carte d’accumulation permet de déterminer les zones où les écoulements provenant de l’amont convergent.

Les fortes valeurs peuvent signaler :

talwegs ;
fossés naturels ;
zones humides potentielles ;
secteurs exposés à l’érosion.

11. Les points d’accumulation

Les points bas peuvent accumuler temporairement :

eau ;
limons ;
matières organiques ;
nutriments.

Ils constituent parfois des zones particulièrement productives.

Mais une accumulation excessive peut également provoquer :

asphyxie racinaire ;
hydromorphie ;
pourriture ;
perte de structure.

12. Infiltration

L’infiltration correspond au passage de l’eau depuis la surface vers le sol.

Elle dépend notamment :

texture ;
structure ;
porosité ;
macroporosité ;
matière organique ;
activité biologique ;
compaction ;
humidité initiale.

13. Capacité d’infiltration

Il faut distinguer :

capacité d’infiltration du sol

infiltration réellement observée.

Un sol peut avoir une capacité théorique élevée mais présenter une infiltration faible si :

il est compacté ;
sa surface est battante ;
ses macropores sont détruits ;
il est saturé.

14. Mesurer l’infiltration

Plusieurs méthodes peuvent être utilisées :

infiltromètre à anneau ;
double anneau ;
essais de pluie simulée ;
essais ponctuels.

L’objectif est d’obtenir une estimation de la vitesse d’infiltration et de sa variabilité spatiale.

15. Variabilité spatiale

Un terrain ne possède pas nécessairement une seule capacité d’infiltration.

Elle peut varier entre :

chemin ;
potager ;
prairie ;
sous-bois ;
zone cultivée ;
pied d’arbre ;
zone compactée.

Il est donc utile d’effectuer plusieurs mesures.

16. Stockage dans le sol

L’eau infiltrée n’est pas immédiatement disponible en totalité pour les plantes.

Elle peut être :

retenue par capillarité ;
stockée dans les pores ;
drainée ;
absorbée par les racines.

La profondeur du sol devient alors déterminante.

17. Réserve utile

La réserve utile correspond à la fraction de l’eau du sol accessible aux végétaux entre différents états hydriques de référence.

Elle dépend notamment :

texture ;
structure ;
profondeur ;
matière organique ;
système racinaire.

Un sol profond peut donc fournir une réserve hydrique beaucoup plus importante qu’un sol superficiel même si les deux reçoivent exactement la même pluie.

18. Recharge des nappes

Une partie de l’eau infiltrée peut poursuivre son chemin vers les horizons profonds et contribuer à la recharge d’une nappe.

Cette recharge dépend de :

précipitations ;
infiltration ;
évapotranspiration ;
drainage ;
géologie ;
profondeur de la zone saturée.

19. Attention au concept de recharge

Toute infiltration n’atteint pas nécessairement une nappe.

Une grande partie peut être :

stockée temporairement ;
reprise par les racines ;
transférée vers l’atmosphère ;
redistribuée latéralement.

Il faut donc distinguer :

infiltration

→ percolation profonde

→ recharge effective de la nappe.

20. Écoulements souterrains

L’eau peut également circuler latéralement dans le sol ou le sous-sol.

Ces flux peuvent alimenter :

sources ;
zones humides ;
cours d’eau ;
végétation située en aval.

La géologie et la structure du sous-sol deviennent alors déterminantes.

21. Zones humides

Les zones humides constituent des infrastructures écologiques majeures.

Elles peuvent :

stocker temporairement de l’eau ;
ralentir les écoulements ;
favoriser certains habitats ;
retenir des sédiments ;
participer à la régulation hydrologique.

Elles ne doivent donc pas être considérées comme des espaces inutiles à drainer systématiquement.

22. Identifier les zones humides

Les indices peuvent être :

végétation hygrophile ;
sols hydromorphes ;
traces d’engorgement ;
couleur du sol ;
accumulation organique ;
présence prolongée d’eau ;
relief.

Les observations de terrain doivent compléter les cartes.

23. Saturation des sols

Un sol saturé peut présenter :

réduction de l’oxygène disponible ;
ralentissement de l’activité racinaire ;
modification de la microbiologie ;
dénitrification ;
risques d’asphyxie.

Le diagnostic hydrologique doit donc rechercher à la fois :

manque d’eau

excès d’eau.

24. Érosion hydrique

L’érosion peut résulter du détachement et du transport de particules par l’eau.

Elle dépend notamment de :

intensité des pluies ;
pente ;
longueur de pente ;
couverture du sol ;
stabilité structurale ;
ruissellement.

25. Les trois étapes de l’érosion

On peut distinguer :

détachement

↓

transport

↓

dépôt.

Le même système hydrologique peut donc dégrader une zone amont et enrichir une zone aval.

26. Zones d’érosion

Il faut rechercher :

ravines ;
rigoles ;
sol dénudé ;
racines exposées ;
dépôts de limons ;
déplacement de graviers.

Ces indices permettent de reconstruire les événements passés.

27. Zones de dépôt

Les zones de dépôt peuvent accumuler :

limons ;
argiles ;
matière organique ;
nutriments.

Elles peuvent présenter une fertilité particulière mais aussi un risque d’engorgement.

28. Le rôle de la végétation

La végétation intervient directement dans le cycle hydrologique.

Elle peut :

intercepter la pluie ;
ralentir le ruissellement ;
stabiliser le sol ;
favoriser la macroporosité ;
augmenter l’infiltration ;
consommer de l’eau ;
restituer de la vapeur d’eau.

Il faut donc analyser l’eau et la végétation comme un système couplé.

29. Racines et infiltration

Les racines peuvent créer des macropores et modifier la structure du sol.

Après leur décomposition, elles peuvent laisser des réseaux préférentiels.

Les organismes du sol peuvent également produire des galeries.

La biologie devient ainsi une composante de l’ingénierie hydrologique.

30. Ressources hydriques disponibles

Le diagnostic doit inventorier toutes les ressources :

précipitations ;
ruissellement ;
sources ;
puits ;
forages ;
nappes ;
cours d’eau ;
mares ;
bassins ;
récupération des toitures ;
eaux de drainage éventuellement valorisables selon leur qualité et la réglementation.

31. Hiérarchiser les ressources

On peut classer les ressources selon :

Ressources naturelles

pluie ;
ruissellement ;
nappe ;
source.

Ressources stockées

citerne ;
mare ;
bassin ;
réservoir.

Ressources récupérées

eau de toiture ;
certaines eaux de drainage.

Ressources énergivores

pompage ;
transfert ;
irrigation sous pression.

L’objectif est de privilégier autant que possible les solutions nécessitant le moins d’énergie et de dépendance extérieure.

32. Bilan hydrologique

Le site peut être décrit par un bilan simplifié :

Entrées

= précipitations + apports externes

− sorties

= évapotranspiration + ruissellement sortant + drainage + autres pertes

= variation du stockage.

Le stockage peut comprendre :

sol ;
mares ;
bassins ;
nappes ;
réservoirs.

33. Bilan hydrologique dynamique

Le bilan doit idéalement être calculé à différents pas de temps :

horaire ;
journalier ;
hebdomadaire ;
mensuel ;
saisonnier.

Un bilan annuel peut masquer des déficits critiques durant juillet et août.

34. Événements extrêmes

Le diagnostic doit également tester :

Pluie faible

→ infiltration presque complète.

Pluie moyenne

→ infiltration + ruissellement limité.

Pluie intense

→ dépassement de la capacité d’infiltration.

Épisode exceptionnel

→ débordement potentiel des ouvrages.

35. Débit de ruissellement

Pour un premier dimensionnement, des méthodes hydrologiques simplifiées peuvent être utilisées.

Une approche classique consiste à estimer un débit de pointe à partir :

surface contributive ;
intensité de pluie ;
coefficient de ruissellement.

Mais cette approche doit être adaptée au contexte et aux caractéristiques réelles du bassin versant.

Pour les projets importants, une modélisation hydrologique plus complète devient nécessaire.

36. Temps de concentration

Le temps de concentration représente approximativement le temps nécessaire pour qu’une contribution hydrologique provenant de la partie la plus éloignée du bassin atteigne l’exutoire.

Il constitue une donnée importante pour estimer les débits de pointe.

Il dépend notamment :

longueur hydraulique ;
pente ;
rugosité ;
nature du terrain ;
réseau d’écoulement.

37. Simulation hydraulique

Le diagnostic peut ensuite passer de la cartographie à la simulation.

Le modèle numérique représente :

terrain ;
pluie ;
infiltration ;
ruissellement ;
écoulements ;
stockage ;
évacuation.

38. Scénario de référence

On commence par simuler le terrain existant.

On peut alors obtenir :

zones d’accumulation ;
débits ;
volumes ruisselés ;
temps d’arrivée ;
zones inondables ;
pertes par ruissellement.

39. Scénario « sol nu »

Le modèle peut ensuite simuler une situation fortement dégradée :

sol nu ;
faible couverture ;
infiltration réduite.

Il permet de comparer l’effet sur :

ruissellement ;
érosion ;
stockage.

40. Scénario « sol couvert »

On introduit :

mulch ;
végétation ;
couverture permanente ;
augmentation de matière organique.

On peut alors tester l’évolution du comportement hydrologique.

41. Scénario agroforestier

On introduit :

arbres ;
arbustes ;
herbacées ;
litière ;
systèmes racinaires.

Le modèle devient alors celui d’un écosystème et non plus simplement celui d’une surface agricole.

42. Scénario avec ouvrages hydrauliques

On peut tester :

noues ;
fossés ;
terrasses ;
mares ;
bassins ;
seuils ;
zones d’expansion ;
citernes.

L’objectif n’est pas de multiplier les ouvrages.

Il consiste à déterminer où un ouvrage produit le maximum d’effet pour le minimum de complexité.

43. Chaîne hydrologique Omakëya™

Une stratégie peut être structurée en cascade :

intercepter

↓

ralentir

↓

répartir

↓

infiltrer

↓

stocker

↓

utiliser

↓

restituer progressivement.

Cette logique cherche à éviter que l’eau quitte rapidement le système après chaque épisode pluvieux.

44. Les mares comme infrastructures hydrologiques

Une mare peut remplir simultanément plusieurs fonctions :

stockage ;
biodiversité ;
tampon hydrologique ;
réserve pour certaines fonctions du système ;
création de microclimat.

Mais son dimensionnement doit être réalisé en fonction :

du bassin contributif ;
des apports ;
de l’évaporation ;
de l’infiltration ;
de la profondeur ;
de la sécurité ;
de la réglementation.

45. La notion de cascade hydrologique

Plutôt qu’un seul grand ouvrage, on peut concevoir une succession :

toiture

→ cuve

→ débordement sécurisé

→ noue

→ mare

→ zone humide

→ infiltration

→ exutoire.

Chaque élément absorbe une partie du flux.

46. Résilience hydraulique

Un système résilient ne cherche pas nécessairement à empêcher toute circulation de l’eau.

Il cherche à :

ralentir ;
stocker ;
répartir ;
infiltrer ;
protéger les zones sensibles ;
maintenir des voies de débordement sûres.

Il doit également accepter qu’un événement exceptionnel dépasse parfois les capacités normales.

47. Scénarios climatiques futurs

La simulation doit être répétée pour différents horizons :

2030

2050

2080

2100

On peut tester :

diminution des précipitations estivales ;
augmentation des températures ;
augmentation de l’évapotranspiration ;
augmentation de l’intensité de certaines pluies ;
augmentation des périodes sèches.

Les hypothèses doivent être explicitement documentées.

48. Tester la robustesse

Un système est véritablement résilient lorsque sa conception reste fonctionnelle malgré :

année sèche ;
année humide ;
canicule ;
pluie extrême ;
succession d’événements.

La question devient alors :

Quelle est la marge de sécurité hydrologique du système ?

49. Le jumeau numérique hydrologique

Toutes les données peuvent être intégrées dans un modèle numérique :

MNT ;
sols ;
pluie ;
infiltration ;
végétation ;
ouvrages ;
niveaux d’eau ;
capteurs ;
historiques.

Le système peut alors devenir un jumeau numérique hydrologique Omakëya™.

50. Capteurs hydrologiques

Le réseau de mesure peut comprendre :

pluviomètres ;
sondes d’humidité du sol ;
tensiomètres ;
capteurs de niveau ;
débitmètres ;
piézomètres lorsque pertinents ;
sondes de température du sol et de l’eau.

51. Comparer modèle et réalité

Le système doit continuellement comparer :

pluie mesurée

pluie utilisée dans le modèle

humidité mesurée

humidité simulée

niveau réel

niveau simulé.

Les écarts permettent de recalibrer progressivement le modèle.

52. Carte finale du fonctionnement hydrologique

Le diagnostic aboutit à une carte intégrant :

Entrées

précipitations ;
apports externes.

Flux

ruissellement ;
infiltration ;
drainage ;
écoulements souterrains.

Stockages

sol ;
mares ;
bassins ;
nappes ;
réservoirs.

Sorties

évapotranspiration ;
exutoire ;
drainage ;
prélèvements.

53. Matrice de diagnostic

Élément	Mesure	Modélisation	Risque	Potentiel
Pluie	pluviomètre	scénarios	sécheresse	ressource
Ruissellement	débit/observation	simulation	érosion	collecte
Infiltration	infiltrométrie	modèle	saturation	recharge
Sol	humidité	bilan hydrique	déficit	stockage
Nappe	piézométrie	modèle	baisse	ressource
Zone humide	observation	cartographie	assèchement	biodiversité
Mare	niveau	bilan	débordement	stockage
Bassin	niveau/débit	simulation	rupture	tampon

54. Indicateurs hydrologiques

Le système Omakëya™ peut suivre notamment :

volume annuel récupérable ;
volume infiltré ;
volume ruisselé ;
volume stocké ;
taux d’infiltration ;
réserve utile du sol ;
déficit hydrique ;
débit de pointe ;
fréquence de débordement ;
recharge estimée ;
consommation d’irrigation.

55. Du diagnostic au dimensionnement

Le diagnostic hydrologique constitue finalement la base de conception de :

mares ;
bassins ;
citernes ;
noues ;
fossés ;
terrasses ;
haies ;
zones humides ;
systèmes d’irrigation ;
ouvrages de ralentissement.

Chaque ouvrage doit être la conséquence d’un diagnostic.

On ne creuse pas une mare parce qu’une mare est intéressante. On la positionne parce que la topographie, le bassin contributif, le bilan hydrologique et les objectifs écologiques démontrent qu’elle a une fonction pertinente à cet endroit.

56. Faire de l’eau une infrastructure vivante

Le diagnostic hydrologique transforme progressivement le terrain en système compréhensible.

On identifie :

d’où vient l’eau,

où elle passe,

où elle s’accumule,

où elle s’infiltre,

où elle est consommée,

où elle ressort.

Puis on introduit les scénarios futurs.

L’objectif final n’est pas de supprimer le ruissellement, ni de retenir artificiellement toute l’eau.

Il est de construire un système capable de ralentir les flux, augmenter les capacités de stockage, favoriser l’infiltration lorsque celle-ci est souhaitable, protéger les sols et conserver suffisamment d’eau pour traverser les périodes sèches.

La logique devient alors :

pluie → paysage → sol → racines → végétation → atmosphère

plutôt que :

pluie → ruissellement → évacuation.

C’est l’un des fondements de l’ingénierie agroclimatique Omakëya™.

Le chapitre suivant peut donc logiquement traiter du diagnostic pédologique, car l’eau ne peut être correctement gérée sans comprendre le matériau dans lequel elle circule et se stocke : le sol.