Etudes et Rapports d'Hydrologie 38

Titres récents dans cette collection :

20. Hydrological maps. Co-edition Unesco- WMO. 21. World catalogue of very large floods/Repertoire mondial des très fortes crues. 22. Floodfiow computation. Methods compiled from world experience. 23. Water quality surveys. 24. Effects of urbanization and industrialization on the hydrological regime and on water quality. Proceedings of the Amsterdam

Symposium. October 1977/Effets de l'urbanisation et de l'industrialisation sur le régime hydrologique et sur la qualité de l'eau. Actes du Colloque d'Amsterdam. Octobre 1977. Co-edition JAHS-Unesco - Coédition AISH-Uncsco.

25. World water balance and water resources of the earth. (English edition). 26. Impact of urbanization and industrialization on water resources planning and management. 27. Socio-economic aspects of urban hydrology. 28. Casebook of methods of computation of quantitative changes in the hydrological regime of river basins due to human activities. 29. Surface water and ground-water interaction. 30. Aquifer contamination and protection. 31. Methods of computation of the water balance of large lakes and reservoirs.

Vol. I Methodology Vol. II Case studies

32. Application of results from representative and experimental basins. 33. Groundwater in hard rocks. 34. Groundwater Models.

Vol. I Concepts, problems and methods of analysis with examples of their application. 35. Sedimentation Problems in River Basins. 36. Methods of computation of low stream flow. 37. Proceedings of the Leningrad Symposium on specific aspects of hydrological computations for water projects (Russian). 38. Methods of hydrological computations for water projects./ Méthodes de calcul pour les études hydrologiques concernant

l'aménagement des eaux. 39. Hydrological aspects of drought. 40. Guidebook to studies of land subsidence due to groundwater withdrawal. 41. Guide to the hydrology of carbonate rocks. 42 . Water and energy: demand and effects.

For details of the complete series please see the list printed at the end of this work.

Méthodes de calcul pour les études hydrologiques concernant l'aménagement des eaux

Contribution au Programme hydrologique international

Rapport préparé par le Groupe de Travail du Projet 3.1 »

Directeurs de la publication : B . S . Eichert J. Kindler G . A . Schultz A . A . Sokolov, Président

Unesco

Les appellations employées dans cette publication et la présentation des données qui y figurent n'impliquent de la part de l'Unesco aucune prise de position quant au statut juridique des pays, territoires, villes ou zones, ou de leurs autorités, ni quant à leurs frontières ou limites.

Publié en 1985 par l'Organisation des Nations Unies, pour l'éducation, la science et la culture, 7, place de Fontenoy, 75700 Paris, Imprimé par : Imprimerie de la Manutention, Mayenne ISBN 92-3-202005-X Edition anglaise : ISBN 92-3-102005-6

© Unesco 1985

Préface

Si la quantité totale d'eau présente sur terre est généralement supposée à peu près constante, l'accroissement rapide de la population joint à l'extension de la culture irriguée et au développement industriel influencent fortement la quantité et la qualité de l'eau dans la nature. Face à l'aggravation des problèmes qui se posent, l'homme a commencé à prendre conscience du fait qu'il ne pouvait plus considérer l'eau ni aucune autre ressource naturelle comme bonne à "jeter après usage". Dès lors, la nécessité d'une politique cohérente de gestion rationnelle des ressources en eau s'est imposée.

Mais cette gestion rationnelle ne saurait se fonder que sur la connaissance approfondie du cycle de l'eau, de ses variations et de ses disponibilités. Afin de concourir à la solution des problèmes posés par l'eau dans le monde, 1'Unesco a lancé en 1965 le premier programme mondial d'étude du cycle hydrologique: la Décennie hydrologique internationale (DHI). Le programme de recherche entrepris a été complété par un effort vigoureux d'éducation et de formation en matière d'hydrologie. Les activités de la Décennie se sont révélées du plus haut intérêt et d'une utilité considérable pour les Etats membres. Au bout de ces dix années, la majorité des Etats membres de l'Unesco avaient constitué-des comités nationaux de la DHI pour mener à bien des activités nationales et participer à des actions de coopération régionale et internationale dans le cadre du programme de la Décennie. La connaissance des ressources en eau du monde s'était sensiblement améliorée. Partout l'hydrologie acquérait droit de cité en tant que spécialisation profession­nelle à part entière, et des moyens de former des hydrologues avaient été créés.

Consciente de la nécessité d'élargir ces efforts en utilisant l'élan imprimé par la Décennie hydrologique internationale, l'Unesco, donnant suite aux recommandations des Etats membres, a lancé en 1975 un nouveau programme intergouvernemental à long terme: le Programme hydrologique international (PHI), destiné à prolonger la Décennie.

Bien que le PHI soit essentiellement un programme de recherches et d'éducation, l'Unesco est consciente depuis le début de la nécessité d'en orienter les activités vers la solution pratique des problèmes très réels liés dans le monde aux ressources hydrologiques. C'est pourquoi les objectifs du Programme hydrologique international ont été progressivement élargis, conformément aux recommandations de la Conférence sur l'eau organisée en 1977 par l'Organisation des Nations Unies afin que le Programme porte non seulement sur l'étude des mécanismes hydrologiques considérés dans leurs relations avec l'environnement et les activités humaines, mais aussi sur les aspects scientifiques de l'utilisation et de la conservation des ressources en eau à des fins diverses, de façon à répondre aux besoins du développement économique et social. Sans détourner le PHI de sa finalité scientifique, on en a ainsi réorienté sensiblement les objectifs vers une approche multidisciplinaire de l'évaluation, de la planification et de la gestion rationnelle des ressources en eau.

Au titre de sa contribution à la réalisation des objectifs du PHI, l'Unesco publie deux collections : "Etudes et rapports d'hydrologie" et "Notes techniques d'hydrologie". En outre, afin d'accélérer l'échange des informations dans les domaines où celles-ci sont particulièrement demandées, elle publie des travaux de nature préliminaire sous la forme de documents techniques.

Le but de la collection "Etudes et rapports d'hydrologie", dont fait partie le présent volume, est de présenter les données rassemblées et les principaux résultats obtenus lors d'enquêtes hydrologiques ainsi que des informations sur les techniques de recherche en hydrologie. Les actes de colloques y figurent parfois également. On espère que ces ouvrages auront un intérêt à la fois pratique et théorique pour les spécialistes en hydrologie et pour toutes les personnes qui participent à l'évaluation, à la planification et à la gestion rationnelle des ressources en eau.

Table des matières

INTRODUCTION

Pages

Sections

1.1 1.2

1.5

OBJECTIFS ET DOMAINE DU GUIDE STRUCTURE ET UTILISATION DU GUIDE RELATIONS AVEC D'AUTRES PUBLICATIONS L'HYDROLOGIE EN TANT QUE SOURCE D'INFORMATION POUR LA GESTION DES RESSOURCES EN EAU PRINCIPAUX NIVEAUX DE L'AMENAGEMENT DES EAUX (PLANIFICATION, PROJET, REALISATION ET EXPLOITATION

Tableau

1.1 1.2

1.3

REFERENCES EN LANGUE ANGLAISE FREQUEMMENT CITEES DANS LE GUIDE .7 OU S'ADRESSER POUR COMMANDER LES PUBLICATIONS CITEES DANS 8 LE GUIDE COMPTES RENDUS DES CONFERENCES ET SYMPOSIUMS INTERNATIONAUX 17 RECENTS DANS LE DOMAINE DE L'HYDROLOGIE

REFERENCES 19

REVUE RAPIDE DES CALCULS HYDROLOGIQUES A EFFECTUER POUR LES PROJETS D'AMENAGEMENT DES EAUX

21

Sections

2.1

2.2

LES DONNEES HYDROLOGIQUES ET METEOROLOGIQUES ET LEUR TRAITEMENT 2.1.1 Introduc tion 2.1.2 Données météorologiques 2.1.3 Données hydrologiques

2.1.3.1 Données hauteurs 2.1.3.2 Données débits 2.1.3.3 Données débits solides

2.1.4 Fréquence des données 2.1.5 Propriétés statistiques des données 2.1.6 Reconstitution et synthèse des données 2.1.7 Etudes critiques des données INTRODUCTION AUX TECHNIQUES HYDROLOGIQUES ET LEURS ADEQUATIONS AUX DIFFERENTS TYPES DE PROJETS 2.2.1 Objectif 2.2.2 Analyse régionale pour la reconstitution de

données manquantes 2.2.3 Restauration des écoulements naturels 2.2.4 Analyse de la variabilité de l'écoulement 2.2.5 Modélisation en hydrologie 2.2.6 Autres techniques hydrologiques 2.2.7 Impacts des aménagements hydrauliques

21 2.1 21 21 22 22 22 22 22 23 23 24

24 24

25 25 26 27 27

Tableau

2.1 RELATIONS ENTRE LE CHAPITRE (TECHNIQUES)

3 (AMENAGEMENTS) ET LE CHAPITRE 4 29

REFERENCES 30

3 PARAMETRES HYDROLOGIQUES DONT L'ESTIMATION EST NECESSAIRE POUR LES DIFFERENTS TYPES D'AMENAGEMENTS

33

Sections

3.1 INTRODUCTION 33~ 3.1.1 But des aménagements hydrauliques 33 3.1.2 Principaux types d'aménagements hydrauliques 34

3.2 PARAMETRES HYDROLOGIQUES REQUIS PAR LES AMENAGEMENTS COMPORTANT 35 DES RESERVOIRS 3.2.1 Démarche générale quelle que soit la destination des 35

réservoirs ¿\ •' 3.2.2 Compléments pour les réservoirs destinés à 36

l'amortissement des crues 3.2.3 Compléments pour les aménagements hydroélectriques 37

comportant des réservoirs 3.2.4 Compléments lorsque les réservoirs sont destinés à 37

assurer une régularisation de la distribution de l'eau dans le temps

3.2.5 Compléments pour les réservoirs à buts multiples 37 3.2.6 Compléments pour des systèmes complexes comportant 38

des réservoirs et d'autres dispositifs à caractère structural ou non structural

3.3 PARAMETRES HYDROLOGIQUES REQUIS PAR LES AMENAGEMENTS NE COMPORTANT 38 PAS DE RESERVOIRS 3.3.1 Aménagements pour la protection contre les crues 38 3.3.2 Aménagements pour la protection de la qualité des eaux 39 3.3.3 Projets d'irrigation 39 3.3.4 Projets de drainage 40 3.3.5 Aménagement pour l'approvisionnement en eau des 41

municipalités et de l'industrie 3.3.6 Aménagements pour la navigation 41 3.3.7 Aménagements pour les loisirs et la protection de la 42

nature (faune aquatique notamment) 3.4 PARAMETRES HYDROLOGIQUES REQUIS PAR LA PLANIFICATION A LONG TERME 42

DES BASSINS FLUVIAUX POUR UN AMENAGEMENT INTEGRE DES RESSOURCES EN EAU

Tableau

3.1 OBJECTIFS DES PROJETS, THEMES AUXQUELS ILS SE RAPPORTENT ET 45 DISPOSITIFS STRUCTURAUX CORRESPONDANTS

REFERENCES 46

METHODES DISPONIBLES EN HYDROLOGIE POUR L'AMENAGEMENT DES EAUX 4 9

Sections

4.1 METHODES D'ANALYSE REGIONALE DES DONNEES HYDROLOGIQUES ET 49 METEOROLOGIQUES 4.1.1 Introduction 49 4.1.2 Homogénéité des données 49 4.1.3 Paramètres statistiques 50 4.4.4 Cartographie hydrométéorologique 50 4.4.5 Analyse basée sur les régressions 50 4.1.6 Coefficients d'écoulement 51 4.1.7 Applications aux sites pour lesquels on dispose 51

de données hydrométriques insuffisantes

REFERENCES 53

4.2 DETERMINATION DES ECOULEMENTS NATURELS 4.2.1 Introduction

55 55

4.2.2 Inventaire des données" 4.2.3 Relations pluie-débit 55 4.2.4 Passage dans un réservoir 56 4.2.5 Propagation dans le réseau hydrographique 56 4.2.6 Méthodes graphiques et régressions 57

REFERENCES 58

METHODES POUR L'EVALUATION DE LA VARIABILITE DE L'ECOULEMENT 60 ANNUEL ET DES CARACTERISTIQUES DE SA REPARTITION SAISONNIERE 4.3.1 Introduc tion 60 4.3.2 Variabilité de 1'écoulement 60

4.3.2.1 Variabilité de l'écoulement annuel 60 4.3.2.2 Variations saisonnières de l'écoulement 60

4.3.3 Ajustement de distributions statistiques aux 60 donnée s d'écouleme nt 4.3.3.1 Ajustement graphique 61 4.3.3.2 Méthode des moments 61 4.3.3.3 Méthode du maximum de vraisemblance 61 4.3.3.4 Autres méthodes 61

4.3.4 Application des distributions des données sur 61 l'écoulement 4.3.4.1 Distribution des écoulements mensuels 61 4.3.4.2 Distributions des écoulements journaliers 62

4.3.5 Absences d'observations 62

REFERENCES 63

DETERMINATION DES COURBES DE FREQUENCE DES VALEURS EXTREMES 64 DES DEBITS ET DES HAUTEURS DANS LES CONDITIONS NATURELLES ET POUR DES DEBITS REGULARISES 4.4.1 Introduction 64 4.4.2 Chronique de données 64 4.4.3 Evénements homogènes 64 4.4.4 Courbes de fréquence des débits 64 4.4.5 Courbes de fréquence des débits de pointe en 65

conditions naturelles 4.4.6 Courbes de fréquence des débits de pointe lorsqu'il 65

y a régularisation 4.4.7 Courbes de fréquence des bas débits dans des 65

conditions naturelles et avec régularisation 4.4.8 Détermination des courbes de fréquence des hauteurs 66

dans les rivières et des niveaux des réservoirs

REFERENCES 67

DETERMINATION DES CRUES DE PROJET 69 4.5.1 Introduction 69 4.5.2 Considérations réglementaires 69 4.5.3 Crues de projet de fréquence donnée 69 4.5.4 Crue maximale probable 72 4.5.5 Passage de l'averse de projet à la crue de projet 72

4.5.5.1 Pertes 72 4.5.5.2 Fonte de neige 72 4.5.5.3 Ruissellement pur 73 4.5.5.4 Ecoulement de base 73 4.5.5.5 Propagation et composition des 73

écoulements1 fluviaux 4.5.5.6 Propagation dans un réservoir 73 4.5.5.7 Calculs par ordinateur 74

REFERENCES

Tableaux

4.5.1 NORMES DE SECURITE POUR LES OUVRAGES HYDRAULIQUES 69 4.5.2 NORMES CONCERNANT LES CRUES ET LES VAGUES DANS LES 70

RESERVOIRS SUIVANT LE TYPE DE BARRAGE

4.6 DETERMINATION DES REVANCHES POUR L'ACTION DU VENT ET DES VAGUES 77 4.6.1 Introduction 77 4.6.2 Définition de la revanche 77 4.6.3 But de la revanche 77 4.6.4 Les chenaux et les digues 77 4.6.5 Grands lacs 78 4.6.6 Parapet des barrages 78 4.6.7 Surélévation due au vent 78 4.6.8 Hauteur des vagues 79 4.6.9 Hauteur de déferlement des vagues 79 4.6.10 Cote de projet 79 4.6.11 Caractéristiques du vent pour le projet 80 4.6.12 Circonstances diverses 80

REFERENCES 81

4.7 DETERMINATION DES LIGNES D'EAU 82 4.7.1 Introduc tion 8 2 4.7.2 Ecoulement unidimensionnel permanent 82 4.7.3 Ecoulement unidimensionnel variable 82

4.7.3.1 Méthodes hydrologiques 82 4.7.3.2 Utilisation des équations incomplètes 82

de 1 '-écoulement en régime variable (Equation de Saint Venant)

4.7.3.3 Utilisation des équations complètes de 82 1'écoulement en régime variable

4.7.4 Ecoulement permanent et variable à deux dimensions 83

REFERENCES 84

4.8 BASES HYDROLOGIQUES POUR LA DETERMINATION DE LA CAPACITE DE 86 STOCKAGE D'UN RESERVOIR 4.8.1 Introduction 86 4.8¿2 Stockage pour la protection contre les crues 86 4.8.3 Stockage pour la fourniture d'eau 87 4.8.4 Stockage pour la production hydro-électrique 89 4.8.5 Réserve de stockage pour les sédiments. 91 4.8.6 Réserve morte 91

REFERENCES 92

4.9 METHODES HYDROLOGIQUES POUR L'ELABORATION DES SCHEMAS 95 D'EXPLOITATION DES RESERVOIRS 4.9.1 Introduction 95 4.9.2 Méthode générale d'analyse 96 4.9.3 Analyse du fonctionnement avec un seul réservoir 97 4.9.4 Analyse du fonctionnement d'un système de réservoirs 99 4.9.5 Modèles de simulation 100 4.9.6 Modèles d'optimisation 101 4.9.7 Détermination des lâchures en cas de danger durant 101

les crues

REFERENCES 1 0 3

4.10 IMPACTS DES AMENAGEMENTS SUR L'ECOULEMENT, L'EVAPORATION, 106 LE MOUVEMENT DES MATERIAUX, LES EAUX SOUTERRAINES ET LA QUALITE DE L'ENVIRONNEMENT 4.10.1 Introduction 106 4.10.2 Impacts des aménagements sur 1'écoulement 106

4.10.2.1 Aménagements avec réservoir(s) 106 4.10.2.2 Aménagements sans réservoir 106 4.10.2.3 Systèmes d'aménagements à l'échelle du 107

bassin

4.10.3 Impacts des aménagements sur 1*evaporation 107 4.10.4 Impacts des aménagements sur la qualité de 107

1 * environnement 4.10.4.1 Aménagements avec réservoir(s) 107 4.10.4.2 Aménagements sans réservoir 108

4.10.5 Impacts des aménagements sur le mouvement des 108 matériaux 4.10.5.1 Aménagements avec réservoir(s) 108 4.10.5.2 Aménagements sans réservoir 109

4.10.6 Impacts des aménagements sur les eaux souterraines 109 4.10.7 Impacts des aménagements sur la température de l'eau 109

4.10.7.1 Aménagements avec réservoir(s) 109 4.10.7.2 Aménagements sans réservoir 110

4.10.8 Impacts des aménagements sur les glaces 110 4.10.8.1 Aménagements avec réservoir(s) 110 4.10.8.2 Aménagements sans réservoir 110

4.10.9 Utilisation des ordinateurs pour l'ensemble des 110 investigations sur les aspects quantitatifs et qualitatifs des ressources en eau

REFERENCES 112

APPENDICE 115

MODELES MATHEMATIQUES D'APPLICATION GENERALE 115 1. HEC -1 115 2. S S A R R 115 3. Modèle hydrologique de simulation 116 4. S W M M 116 5. Modèle à réservoirs 116 6. Système de contraintes linéaires (CSL) 117 7. S T O R M 117 8. W Q R R S 118 9. HEC -5 119

REFERENCES 120

1. Introduction

1.1 OBJECTIFS ET DOMAINE DU GUIDE

La planification et la conception des aménagements destinés à la mise en valeur des ressources en eau dépendent étroitement des évaluations hydrologiques. L'objet de la présente publication est de fournir quelques lignes directrices sur les méthodes d'analyse et de calculs hydrologiques nécessaires pour y parvenir. Ce guide a été conçu et réalisé pour des ingénieurs, des hydrologues et autres spécialistes, particulièrement ceux -des pays en développement, en quête d'information sur l'adéquation des méthodes les plus couramment utilisées. L'état actuel des techniques hydrologiques fait l'objet d'une brève description, et un choix de solutions est proposé en indiquant les conditions dans lesquelles chacune d'elles peut répondre ou ne pas répondre à un problème posé. De plus, le guide fournit d'abondantes références sur des publications internationales et nationales contenant des informations sur les méthodes couram­ment utilisées pour l'évaluation des caractéristiques hydrologiques dont la connaissance est nécessaire à la conception des différentes catégories d'aménagement des eaux. Il présente également un choix de programmes de calculs sur ordinateurs, largement diffusés, qui peuvent constituer des outils fort utiles pour l'évaluation des caractéristiques hydrologiques.

Il n'est pas dans l'intention de ce guide de présenter en détail les méthodes de calcul, mais plutôt d'indiquer où on peut trouver une description détaillée de ces méthodes ou d'autres méthodes possibles, notamment dans des publications à large diffusion, et de recommander éventuellement d'autres solutions mieux adaptées à certaines conditions particulières.

Les méthodes de calcul présentées dans ce guide concernent principalement la mise en valeur des eaux de surface. Les estimations qui se rapportent aux eaux souterraines ne sont pas traitées ici.

Le présent guide a été réalisé par un Groupe de Travail du Programme Hydrologique Inter­national sur les méthodes de calcul des caractéristiques hydrologiques pour les aménagements hydrauliques (PHI - projet 3.1) sous la présidence du Professeur A.A. SOKOLOV. Le Groupe de Travail était composé de :

M. N.B. AYIBOTELE (Ghana)

EICHERT (Etats-Unis)

HEGGSTAD (Norvège)

HERAS (Espagne)

KIKKAWA (Japon)

KINDLER (Pologne)

VAN DER MADE (Pays-Bas)

SCHULTZ (République Fédérale d'Allemagne)

SOKOLOV (U.R.S.S.)

VALLEJOS (Argentine)

Le Groupe de Travail a désigné comme rédacteurs du guide M. ~B,S, EICHERT, M. J. KINDLER, M. G.A. SCHULTZ, et M. A.A. SOKOLOV. L'OMM a contribué aux activités du Groupe de Travail et participé activement aux travaux du groupe de rédaction en déléguant M. A.J. ASKEW du Secrétariat de l'OMM et M. B. WINGARD, de Norvège. La préparation du texte final a été confiée à M. B.S. EICHERT.

M .

M .

M .

M .

M .

M .

M .

M.

M.

B.S,

R.

R.

H .

J.

J.A

G.A

A.A

R.M

1

1.2 STRUCTURE ET UTILISATION DU GUIDE

Le guide est divisé en quatre chapitres et une annexe. Le chapitre 1 expose le fond de l'ouvrage en définissant son domaine et le public auquel il s'adresse, en indiquant les relations entre l'hydrologie et la gestion des ressources en eau, et en décrivant les étapes de base de l'aménagement (planification, conception, réalisation et gestion-exploitation).

Le chapitre 2, consacré à une revue rapide des calculs hydrologiques à effectuer pour les projets hydrauliques, donne un bref aperçu de l'information fondamentale sur les données hydro­météorologiques et leur traitement; il présente brièvement- les méthodes utilisées pour réaliser l'estimation des variables hydrologiques nécessaires à l'étude des différents types d'aménagement de ressources en eau. Le tableau 2.1 résume les différentes méthodes sommairement exposées dans le chapitre 2 (dont on trouvera une analyse critique et les références au chapitre 4), en les groupant suivant les types d'aménagements retenus au chapitre 3 (où l'on donne une liste de toutes les variables hydrologiques nécessaires pour chaque type d'aménagement).*

Le chapitre 3 est consacré à une brève description des paramètres hydrologiques dont on a besoin pour établir un projet d'aménagement des eaux suivant son type et sa destination a on y présente les listes des paramètres qui sont en général utilisés pour chaque type de projet. Pour chaque paramètre, ou caractéristique hydrologique, on rappelle les méthodes d'estimation qui font l'objet d'une analyse critique dans le chapitre 4 dans lequel on trouve également des références sur ces méthodes.

Le chapitre 4 traite des méthodes disponibles pour l'estimation des caractéristiques hydrologiques nécessaires à l'élaboration des projets d'aménagement des eaux. On y donne un choix des méthodes, accompagnées d'un avis critique, couramment utilisées pour l'estimation des paramètres définis au chapitre 3, ainsi que toutes références sur des publications à caractère international et national qui traitent en détail de ces méthodes. Le chapitre 4 fournit également des références sur des programmes de calcul par ordinateur d'usage courant dans ce domaine.

L'annexe du chapitre 4 donne une brève description des références sur un choix de programmes de calcul à caractère général qui peuvent être utiles pour l'estimation d'un grand nombre de caractéristiques hydrologiques.

Afin de profiter au mieux de la consultation du Guide, on recommande de procéder comme suit :

1) Lire avec attention les chapitres 1 à 3 pour se familiariser avec les principes de base et la structure du Guide.

2) Vérifier si vous pouvez disposer des publications essentielles dont vous aurez besoin pour mettre en oeuvre les méthodes que vous avez l'intention d'utiliser (tableau 1.1). Sinon, commandez-les en vous servant du tableau 1.2 pour les adresses.

3) Aller au tableau 2.1 et repérer la colonne correspondant au type d'aménagement pour lequel vous avez à effectuer une étude hydrologique (par exemple réservoir d'un aménagement hydro-électrique). Déterminer à l'aide de ce tableau, de quelles sections du chapitre 3 on a besoin pour ce type d'aménagement (par exemple section 3.2.1 pour tout type de réservoir et section 3.2.3 pour les réservoirs destinés à la production d'énergie). Le tableau 2.1 permet encore de déterminer de quelles méthodes de calcul on a besoin et dans quelles parties du chapitre 4 ces méthodes sont exposées. Cette détermination permet de passer en revue l'ensemble du travail à entreprendre (exemple : on aura besoin des méthodes exposées dans les sections 4.1 et 4.10).

4) Aller alors aux sections du chapitre 3 dont vous avez besoin pour votre type d'aménagement (par exemple sections 3.2.1 et 3.2.3 d'après le tableau 2.1 comme on l'a dit précédemment ou d'après la table des matières du chapitre 3). Dans les parties appropriées du chapitre 3, on trouvera une liste des caractéristiques hydrologiques dont on a précisément besoin pour l'élaboration du projet d'aménagement (par exemple, au 3.2.1, on trouve une liste de 15 caractéristiques et de 7 en 3.2.3.). Pour chacune d'elles, déterminer les références

*Dans le texte anglais (original), on signale à cet endroit quelque difficulté de compréhension et quelque confusion pouvant naître de l'usage des termes "hydrologie technique"que nous traduisons en général par "méthode (hydrologique)" et "hydrologie estimate" que l'on devrait traduire par "estimation d'une variable hydrologique sous son aspect statistique" (par exemple : valeur estimée d'une crue de projet). Suivant le contexte, nous proposons la terminologie française qui nous paraît la plus appropriée : variable, paramètre, estimation, caractéristique. (Note du Traducteur).

2

correspondantes (par exemple, le paragraphe 1 de 3.2.1 renvoie aux études régionales dont

on trouve les références en 4.1).

5) Regarder maintenant les références données dans le chapitre 4 pour chaque caractéristique

hydrologique et retenir les méthodes d'évaluation qui vous semblent correspondre le mieux à

vos besoins et dont il vous faut une description détaillée;

6) Procéder à l'estimation des caractéristiques en utilisant les méthodes décrites dans les références tirées du chapitre 4.

Les références contenues dans le Guide se trouvent à la fin des chapitres 1 à 3 et à la fin de l'annexe au chapitre 4. Des références propres au chapitre 4 sont données à la fin de chaque sous-chapitre (4.1, 4.2, etc..) par suite du grand nombre de références correspondant à ces sous-chapitres et parce que chacun d'eux traite d'une branche importante des calculs hydrologiques qui peuvent être étudiés séparément de ceux des autres sous-chapitres.

1.3 RELATIONS AVEC D'AUTRES PUBLICATIONS

Afin de garder au présent Guide une taille raisonnable, on a choisi de ne pas entrer dans le détail de l'exposé des méthodes, mais de se référer à des publications nationales ou inter­nationales largement diffusées dans lesquelles on peut puiser ce genre d'information. L'intérêt principal du Guide estde permettre l'identification des caractéristiques hydrologiques dont l'estimation est nécessaire pour l'élaboration de tel type de projet (chapitre 3) et d'indiquer les publications spécialisées qui donnent le détail des méthodes de calcul (chapitre 4 pour les méthodes hydrologiques et chapitre 3 pour les autres méthodes). Les relations entre le Guide et d'autres publications sont donc d'abord basées sur le contenu du chapitre 4. Les références-clés en anglais (l'anglais étant la langue de travail du Groupe de Travail du PHI) citées dans le chapitre 4 ont servi à établir le tableau 1.1 qui groupe les références les plus fréquemment citées dans le Guide. Pour tirer le meilleur parti du Guide, il importe donc (pour le lecteur anglais) d'avoir au moins accès aux références présentées dans ce tableau. Si le lecteur pense se limiter à un petit nombre de sous-chapitres, il faudrait qu'il s'arrange pour obtenir le maximum de références concernant ces sous-chapitres. Le tableau 1.2 donne les adresses où l'on peut se procurer les publications : les listes de références qui suivent chaque chapitre ou sous-chapitre comportent, à droite de chaque référence, un code qui se rapporte aux indications du tableau 1.2. Les références qui figurent dans le Guide n'ont pas la prétention d'épuiser le sujet ; nombre d'autres publications ont un contenu analogue mais, si elles n'ont pas été citées, c'est que :

1) elles faisaient double emploi ;

2) elles étaient inconnues du Groupe de travail (notamment celles qui ne

sont pas en anglais) ;

3) on ne les a pas considérées comme suffisamment diffusées dans la communauté

internationale.

La plus grande partie de la documentation ayant une large audience internationale (à l'exception des références données dans le chapitre 4), est davantage tournée vers les milieux académiques ou scientifiques que vers les ingénieurs praticiens engagés dans l'élaboration des projets d'aménagement des ressources en eau.

Dans le cadre du projet A.2.10 du PHI-II, 1'UNESCO est en train de préparer un catalogue d'exemples d'application des méthodes de calcul des caractéristiques hydrologiques pour les aménagements hydrauliques. Ce projet est dans le prolongement du Guide et fournira des exemples de calculs hydrologiques pour la planification et la réalisation de projets concernant divers types d'aménagement des eaux afin d'être pratiquement et directement utilisable par les plani­ficateurs, les projeteurs et les ingénieurs; le catalogue comportera également des marches à suivre et des exemples tirés de projets réels, et mettra en évidence la spéficité des calculs hydrologiques concernant ces projets.

Durant la période de la DHI puis du PHI, un large échange d'idées a eu lieu sur les principaux problèmes d'hydrologie et sur les réalisations scientifiques dans le domaine des estimations hydrologiques. De nombreuses conférences, symposiums, séminaires scientifiques internationaux, des séances de groupes de travail ont eu lieu sous l'égide de l'UNESCO, de l'OMM, de l'AISH et d'un grand nombre de comités nationaux du PHI. On trouvera dans le tableau 1.3 les références de nombreux comptes rendus de conférences et symposiums internationaux.

Un symposium international sur les aspects spécifiques des calculs hydrologiques pour les projets d'aménagement des eaux (le sujet même du Guide) a été réuni par l'UNESCO en coopération avec l'OMM, l'AISH et le Comité National de l'URSS pour le PHI, à Leningrad en septembre 1979. Plus de 70 rapports scientifiques ont été présentés à ce symposium par les états membres du PHI.

3

Les comptes rendus de ce symposium sont publiés en Union Soviétique dans la collection "Etudes et rapports d'hydrologie".

Les résultats de la recherche hydrologique et les données fournies par les mesures hydrologiques ont été résumés dans nombre de publications internationales. Parmi les plus remarquables du point de vue de la science hydrologique et de la pratique de l'ingénieur, on notera les publications sur les bassins représentatifs et expérimentaux (Toebes, 1970), sur les méthodes de calcul relatives au bilan hydrologique (Sokolov, 1974), sur l'acquisition et le traitement des données en vue de l'étude des crues (Snyder, 1971), sur les techniques nucléaires en hydrologie (Agence internationale pour l'énergie atomique, 1968),sur les cartes hydrologiques (UNESCO, 1977), sur les recherches sur la qualité des eaux (CMEA, 1977) et sur les méthodes de calcul des débits de crues (Sokolov, 1976) .

Un certain nombre de publications ont été réalisées par 1'UNESCO sur des sujets d'hydrologie opérationneller telles que "Données météorologiques et hydrologiques nécessaires à la planification de l'aménagement des eaux" 'Andrejanov, 1975), "Guide des pratiques hydrologiques" (OMM,1974), etc.. Les progrès récents dans la connaissance de l'hydrologie sont également reflétés par une série de manuels (Viessman, 1977 ; Dubreuil, 1974 ; Heras, 1972 et National Environmental Research Council, 1975).

Diverses organisations des Nations Unies ont ainsi apporté une importante contribution dans le domaine du contrôle de la qualité des eaux, du traitement des données et de leur interprétation. Ces efforts se traduisent par les publications suivantes : "Surveillance de la qualité des eaux" (UNESCO-OMS, 1978), "GEMS/Water Operational Guide" (UNEP, 1978), et autres. Une importante contribution à l'hydrologie a été apportée par la monographie, "Bilan hydrique et ressources en eau du globe", et "Atlas du bilan hydrique mondial" (UNESCO, 1978 b, UNESCO, 1978 a).

Un "Manuel sur les méthodes de calcul des bilans hydriques des grands lacs et réservoirs", volume 1, Méthodologie, (UNESCO, 1981), un "Catalogue sur le calcul des basses-eaux" et un document technique "Recherche sur le régime hydrique des bassins fluviaux influencés par l'irrigation" ont été préparés en vue de leur publications dans le cadre du Programme hydrologique international.

Parmi les activités de l'OMM, le démarrage du Sous-programme hydrologique opérationnel à fins multiples (SHOFM) apparaît comme une opération particulièrement pertinente. Elle fournit les moyens d'un transfert de technologie à différent niveaux entre pays membres, concernant l'hydrologie opérationnelle et comportant ce dont on a besoin pour la collecte, la transmission et le traitement des données hydrologiques en vue de leur utilisation pour la conception et la gestion des aménagements hydrauliques . Le transfert se fait par une collection de composantes regroupées et classées dans un manuel de références, accompagnées de spécifications d'appareillage, mises en oeuvre et gérées sur ordinateur au moyen d'un logiciel approprié. Ces composantes sont à la disposition de tous les services hydrologiques et météorologiques nationaux et, d'une manière semblable à ce qui est exposé au chapitre 3 du présent Guide, elles peuvent être groupées en séquences utilisables pour répondre aux besoins des différents types d'aménagement des eaux.

1.4 L'HYDROLOGIE EN TANT QUE SOURCE D'INFORMATION POUR LA GESTION DES RESSOURCES EN EAU

L'hydrologie est la science de base qui sous-tend la question des ressources en eau, étant bien entendu que ces ressources ne peuvent être gérées si l'on ignore leur volume global et leur répartition dans l'espace et dans le temps. L'hydrologie a connu ces dernières années une évolution significative due pour une part à l'amélioration des systèmes de collecte des données, de celles qui concernent les événements historiques de fréquence rare (crues, sécheresses, anomalies dans le comportement des glaces, etc..) aux observations systématiques à partir de réseaux de stations en expansion continuelle. Il existe actuellement dans le monde plus de 60.000 stations de jaugeage et plus de 100.000 stations météorologiques exploitées de façon permanente et permettant de mesurer les différents paramètres du régime hydrométéorologique des cours d'eau, des lacs, des réservoirs, des océans et des eaux souterraines. Dans certains pays, les règles appliquées pour la conception et l'exploitation de ces réseaux font l'objet d'instructions particulières et de manuels (Gidrometeoizdat, 1960, 1969, 1975, 1978, 1973 ; Gidrometeoizdat, 1973 ; U.S. Geological Survey, 1978).'

Le développement des réseaux hydrologiques a grandement contribué à l'augmentation des connaissances sur les ressources mondiales en eau. Les lacunes des cartes concernant les éléments du cycle hydrologique, à l'échelle mondiale et à l'échelle des pays, se réduisent progressivement. Les inter-relations de l'hydrologie avec la météorologie , 1'hydrogéologie et d'autres sciences sont de mieux en mieux perçues et améliorent les études régionales et mondiales de tous les éléments du cycle hydrologique.

Un des principaux aspects, dans l'application pratique de l'hydrologie, réside dans l'estimation des éléments de base du régime hydrologique, tels que les caractéristiques de l'écoulement fluvial, les précipitations, 1'evaporation, la dynamique des masses d'eau, les

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transports solides, la qualité de l'eau, etc..., éléments dont la connaissance est essentielle pour la conception, la réalisation et l'exploitation des aménagements etcles ouvrages hydrauliques. La sécurité, le coût et l'efficacité des aménagements et de leurs ouvrages dépendent grandement de la fiabilité des estimations hydrologiques.

Une détermination fiable des caractéristiques hydrologiques n'est pas chose simple, par suite de la nécessité de prendre en compte les variations possibles des séries chronologiques pour différents types d'ouvrages ayant des durées de vie variables (par exemple, variabilité des débits liquides et solides). Les principes généraux de la solution de ces problèmes, en matière de planification des aménagements hydrauliques, ont fait l'objet de nombreuses publications (Kritsky 1952 ; Kritsky, 1977 ; Maass, 1962) . Les chroniques hydrologiques et météorologiques de longue durée, publiées dans des annuaires métérologiques et hydrologiques, des bulletins, etc sont de la plus haute importance pour l'estimation des caractéristiques hydrologiques. De nombreuses difficultés sont le fait de lacunes dans les données inadéquates.

Outre les publications nationales ou régionales de données sur les débits, de nombreuses observations provenant du réseau mondial de stations hydrologiques ont été publiées depuis 1965 par l'UNESCO dans la collection "Débits de certains cours d'eau du monde" (Unesco, 1965).

Jusquà une époque récente, on n'envisageait que la solution de problèmes d'aménagement des eaux à caractère local. Beaucoup de projets actuels ne sont pas considérés de façon isolée ou ne sont pas destinés à satisfaire un seul besoin (comme par exemple des réservoirs pour la production d'énergie électrique ou des canaux pour la navigation). Les aménagements peuvent comporter des sytèmes d'ouvrages interconnectés couvrant des bassins ou des régions entiers. Ils peuvent empiéter sur les intérêts de nombreuses branches de l'économie nationale et avoir des effets sur l'environnement, des impacts économiques et sociaux, sur de vastes étendues. De tels projets à grande échelle entraînent souvent des modifications significatives de l'environnement. Ils peuvent affecter le paysage et les biotopes, modifier le bilan hydrique et le bilan en sels des mers intérieures, et induire des modifications dans le climat et la circulation de l'eau dans l'atmosphère.

La compréhension et la prévision des changements apportés par l'homme dans le régime des eaux et le bilan hydrologique posent à l'hydrologue des problèmes complexes. Tandis qu'on a pu proposer quelques solutions contre les effets sur l'hydrologie de certaines catégories de perturbations dues par exemple à l'urbanisation et à la deforestation (Unesco, 1974 et 1980 ; FAO, 1969 ; Shiklomanov, 1975) , il est extrêmement difficile de prévoir les conséquences que peuvent entraîner des variations complexes et liées entre elles. La complexité du problème est due en partie au fait qu'une interférence à grande échelle dans la nature ne se manifeste pas immédiatement. Il peut se passer des décennies avant qu'apparaisse un changement négatif et irréversible. L'estimation et la prévision d'éventuelles modifications de l'environnement est un aspect essentiel de la gestion contemporaine des ressources en eau.

Les mesures de protection de l'environnement contre la pollution et l'épuisement des ressources ont besoin d'une justification scientifique. Par exemple, les effets de l'urbanisation, de la coupe des arbres et de la reforestation, du labourage et de l'application de techniques agricoles, de l'irrigation et du drainage, de l'exploitation minière, des précipitations acides, et d'autres types d'activité humaine dans les bassins versants et les réseaux hydrographiques, qui provoquent des modifications des régimes et des bilans hydrologiques, doivent être identifiés et évalués. Il est possible que le développement rapide des applications de la télédétection à l'hydrologie et à la gestion des ressources en eau contribue à la solution de ces problèmes hydrologiques complexes (Reeves, 1975 ; Kudritsky, 1977 ; Kuprianov, 1976 ; Wiesnet, 1979) .

L'aménagement des ressources en eau est soumië à une législation sur les eaux qui en contrôle le déroulement. C'est ainsi que la législation peut exiger que l'élaboration d'un aménagement à but multiple, régional ou à l'échelle d'un bassin, tienne compte des demandes présentes et futures concernant tous les secteurs de l'économie nationale, en se basant sur les prévisions du développement économique et social (Environment Canada, 1975). La prévision des modifications du régime et du bilan hydrologique est une partie intégrante de tels scénarios : c'est la base d'une justification scientifique des mesures à prendre pour assurer une utilisation et une protection des eaux les plus efficaces possibles.

1.5 PRINCIPAUX NIVEAUX DE L'AMENAGEMENT DES EAUX (PLANIFICATION, PROJET, REALISATION ET EXPLOITATION

La mise au point d'un projet d'aménagement des ressources en eau est un travail compliqué qui demande au minimum trois à cinq ans depuis la conception jusqu'à la réalisation et plusieurs fois ce laps de temps quand il s'agit de grands projets (James, 1971) . Les étapes normales du développement sont la planification, le projet, la réalisation et l'exploitation. Le niveau planification est l'objet essentiel des exposés du présent Guide, tant sont importantes les évaluations hydrologiques dans le processus de la planification. Les évaluations concernant le projet et la réalisation des ouvrages, sans être complètement négligées, ne sont pas traitées en

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profondeur. Quant à celles que nécessite l'exploitation des aménagements, on n'er. parle que dans la mesure où elles ont une implication dans les études de planification.

La séparation des quatre niveaux, ou étapes, est nette sauf entre les étapes planification et projet. Le projet peut être considéré comme la traduction d'un plan de conception en plans et rapports d'exécution nécessaires à la réalisation. Le niveau exploitation, bien que tout à fait séparé du niveau planification, dépend encore grandement des critères, hypothèses et prévisions ayant présidé à, ou mises au point durant l'étape planification. Il est certainement trop tard, une fois que le projet a été réalisé, pour se mettre à réfléchir sur la manière dont l'aménagement doit être exploité. Dans la plupart des cas, le mode d'exploitation aura des répercussions importantes sur le type, les dimensions, les coûts de l'aménagement et les bénéfices qu'on peut en tirer.

Les étapes d'un projet conduisant de la conception à la réalisation sont différentes d'un pays à l'autre et, à l'intérieur d'un pays, suivant les établissements chargés de l'aménagement. Toutefois, James et Lee, (1971), énumèrent quelques étapes qui sont assez généralement respectées dans la majorité des projets et peuvent se résumer comme suit :

1. identification de la nécessité du projet, 2. autorisation d'étude, 3. enquête d'intérêt public, 4. étude de faisabilité pour la justification du projet, 5. s'assurer auprès du public local d'un support financier et moral, 6. examen du projet par les parties concernées, 7. autorisation de construction, 8. obtention des fonds pour l'élaboration du projet et la réalisation, 9. rassemblement de données complémentaires et exécution d'études plus détaillées, 10. plans définitifs et estimation des coûts, 11. choix des constructeurs et réalisation de l'aménagement, 12. remise de l'aménagement à l'exploitation et à l'entretien.

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Tableau 1.1

Références en anglais fréquemment rencontrées dans le Guide

Références Editeurs d'après le tableau 1.2

Publications internationales

Klemes, V., 1973, "Applications of Hydrology to water Resources Management," WMO No. 356, Geneva. A-10 (1)

Sokolov, A.A., S.E. Rantz, and M. Roche, 1976, "Flood Flow Computation Methods Compiled from World Experience," The Unesco Press, Paris. A-7

Unesco, 1976, "World Catalogue of Very Large Floods," Studies and Reports in Hydrology, Vol. 21, The Unesco Press, Paris. A-7

United Nations, 1967, "Assessment of the Magnitude and Frequency of Flood Flows," Water Resources Series No. 30, Economic Commission for Asia and the Far East, New York. A-8

WMO, 1969, "Estimation of Maximum Floods," Technical Note No. 98, WMO No. 233, T.P. 126, Geneva. A-10

WMO, 1973, "Manual for Estimation of Probable Maximum Precipitation," Operational Hydrology Report No. 1, WMO No. 332, Geneva. A-10

WMO, 1974, "Guide to Hydrological Practices," 3rd edition, WMO No. 168, Geneva. A-10 (2)

WMO, 1975, "Intercomparison of Conceptual Models Used in Operational Hydrological Forecasting," Operational Hydrology Report No. 7, WMO No. 429, Geneva. A-10

Autres publications

Bureau of Reclamation, 1977, "Design of Small Dams" 2nd edition, U.S. Department of the Interior B-57

Chow, V.T., 1964, "Handbook of Applied Hydrology," McGraw-Hill Book Company, New York. B-27

Davis, Calvin V., and Kenneth E. Sorensen, 1969, "Handbook of Applied Hydraulics, 3rd edition, McGraw-Hill Book Company, New York. B-27

Henderson, F.M., 1966, "Open Channel Flow," The Macmillan Company, New York. B-25

James, L.D., and R.R. Lee, 1971, "Economics of Water Resources Planning," McGraw-Hill Book Company, New York. B-27

Linsley, Ray K., and Joseph B. Franzini, 1979, "Water Resources Engineering," 2ndedition, McGraw-Hill Book Company, New York. B-27

Linsley, Ray K., Kohler, Max A., and Paulhus Joseph L.H. , 1975, "Hydrology for Engineers,"2nd Edition, McGraw-Hill Book Company, New York. B-27

Rouse, Hunter, editor, 1950, "Engineering Hydraulics," John Wiley & Sons, Inc. B-23

The Hydrologie Engineering Center, U.S. Army Corps of Engineers, 1971-1977, "Hydrologie Engineering Methods for Water Resources Development," A United States Contribution to the International Hydrological Decade, Vols. 1-12, California. B-32 or B-52

(1) Epuisé en 1980 (réédition possible) •; on peut consulter un exemplaire en bibliothèque.

(2) Une 4ème édition a été publiée en 2 volumes (Vol. 1, 1981; Vol. 2, 1983).

Tableau 1.1 (suite)

Références en anglais fréquemment rencontrées dans le Guide

Références Editeurs d'après le tableau 1.2

Autres publications

U.S. Water Resources Council, 1977, "Guidelines for Determining Flood Flow Frequency," Bulletin No. 17A, Washington, D.C. B-57

Vanoni, Vito, editor, 1976, "Sedimentation Engineering," American Society of Civil Engineers, New York. B-3

Tableau 1.2

OU COMMANDER LES PUBLICATIONS DONT LES REFERENCES FIGURENT DANS LE GUIDE

Organisations internationales

A-l Economie Commission for Europe (ECE) 10, Palais des Nations CH-1211 Geneva Switzerland

A-2 Food and Agricultural Organization (FAO) UNIPUB, Inc. 345 Park Avenue South New York, NY 10010, USA

A-3 International Association for Hydraulic Research (IAHR) P. 0. Box 177 2600 MH Delft The Netherlands

A-4 International Association of Hydrological Sciences (IAHS) Office of the Treasurer IAHS 2000 Florida Avenue Washington, D.C. 20009 USA

OU

International Association of Hydrological Sciences (IAHS) Blackwell Scientific Publications, Ltd. Osney Mead Oxford 0X2 0EL United Kingdom

A-5 International Atomic Energy Agency (IAEA) Wagramerstrasse 5 P. 0. Box 100 A-1A00 Vienna Austria

A-6 International Commission on Large Dams 151 Boulevard Haussmann 75008 Paris France

8

Tableau 1.2 (suite)

OU COMMANDER LES PUBLICATIONS DONT LES REFERENCES FIGURENT DANS LE GUIDE

Organisations internationales (suite)

A-7 The Unesco Press UNIPUB, Inc. (USA orders only) 345 Park Avenue South New York, NY 10010, USA

OU

The Unesco Press Unesco Place de Fontenoy 75700 Paris, France

A-8 United Nations Publications Room A-3315 New York, NY 10017 USA

Ou

United Nations Sales Section Palais de Nations CH-1211 Geneva Switzerland

A-9 World Health Organization Organisation Mondiale De La Santé CH - 1211 Geneva 27, Suisse

A-10 World Meteorological Organization Publications Center UNIPUB, Inc. (USA orders only) 345 Park Avenue South New York, NY 10010 USA

OU

World Meteorological Organization P.O. Box 5 CH-1211 Geneva, 20, Switzerland

Editeurs

B-2 American Geophysical Union 2000 Florida Avenue Washington, D.C. 20009 USA

B-3 American Society of Civil Engineers Engineering Societies Library 345 East 47th Street New York, NY 10017 USA

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Tableau 1.2 (suite)

OU COMMANDER LES PUBLICATIONS DONT LES REFERENCES FIGURENT DANS LE GUIDE

Editeurs (suite)

B-4 American Society of Photogrammetry 105 North Virginia Avenue Falls Church, VA 22046 USA

B-5 B. T. Batsford, Ltd., London 4 Fitzhardinge Street London W1H OAH England

B-6 Bureau de Recherches Géologiques et Minières Department de Documentation B.P. 6009 F 45018 Orleans France

B-8 Colorado State University Hydrology Department Engineering Research Center Foothills Campus - Publications Department Fort Collins, CO 80523 USA

B-9 D. C. Heath and Company 125 Spring Street Lexington, MA 02173 USA

B-10 Deutsche Hydrographische Institut Bernhard-Nocht, Street 78 2000 Hamburg 4 Federal Republic of Germany

B-ll Elsevier Scientific Publishing Company P. 0. Box 211 1000 A.E. Amsterdam The Netherlands

OU

American Elsevier Publishing Company 52 Vanderbilt Avenue New York, NY 10017 USA

B-12 E. Schweizerbart'sche Verlagsbuchhandlung Johannesstrasse - 3A D-7000 Stuttgart 1 Federal Republic of Germany

B-13 Editora Edgard Blucher Rua Pedroso Alvarenga 1245 2 Andar C.P. 5450, 04531 Sao Paulo, SP Brazil

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Tableau 1.2 (suite)

OU COMMANDER LES PUBLICATIONS DONT LES REFERENCES FIGURENT DANS LE GUIDE

Editeurs (suite)

B-14 Edward Arnold, London 41 Bedford Square London WC1B 3DQ England

B-16 Gauthier-Villars 17 Rue Remy-Dumoncel 75014 Paris France

B-17 Harper and Row Publishers, Inc. 10 East 53rd Street New York, NY 10022 USA,

B-18 Harvard University Press 79 Garden Street Cambridge, MA 02138 USA

B-19 Instituto de Hidrología Escuela de Hidrología Bajo Virgin del Puerto 3 Madrid 5 Spain

B-20 International Institute of Environmental Engineering Oude, Delft 95 P. 0. Box 3015 2601 da Delft The Netherlands

B-21 Jenkins Publishing Company P. 0. Box 2085 Austin, TX 78768 USA

B-22 Johns Hopkins University Press Baltimore, MD 21218 USA

B-23 John Wiley and Sons, Inc. 605 Third Avenue New York, NY 10016 USA

B-24 United States Department of Commerce National Oceanic and Atmospheric Administration (N0AA) California-Nevada River Forecast Center National Weather Service 1641 Resources Building 1416 Ninth Street Sacramento, CA 95814 USA

11

Tableau 1.2 (suite)

OU COMMANDER LES PUBLICATIONS DONT LES REFERENCES FIGURENT DANS LE GUIDE

Editeurs (suite)

B-25 The Macmillan Company 866 Third Avenue New York, NY 10022 USA

B-26 Masson 220 Boulevard Saint Germain, F-75006 Paris France

B-27 McGraw-Hill Book Company 1221 Avenue of the Americas New York, NY 10020 USA

B-29 Natural Environment Research Council Institute of Hydrology MacLean Building, Crowmarsh Gifford Wallingford OXON 0X10 8BB England

B-31 National Research Center for Disaster Prevention Science and Technology Agency Ten-Nodai, 3-Chome Sakura-Mura, Niihari-Gun Ibaraki, 305 Japan

B-32 The National Technical Information Service (NTIS) United States Department of Commerce 5285 Port Royal Road Springfield, VA 22161 USA

B-33 Norconsult A/S Maries Vei 20 1322 Hovik Norway

B-34 Nordic Hydrology Isva, Technical University, Denmark Building 115 DK-2800 Lyngby Denmark

B-35 Norges Teknishke Hgskele River and Harbour Laboratory Klaeburegen 153 7034 Trondheim Norway

B-36 Norwegian Hydrological Committee P. 0. Box 5091 Majorstua Oslo 3 Norway

12

Tableau 1.2 (suite)

OU COMMANDER LES PUBLICATIONS DONT LES REFERENCES FIGURENT DANS LE GUIDE

Editeurs (suite)

B-37 Office de la Recherche Scientifique et Technique Outre Mer (ORSTOM) Service Diffusion 70-7A route d'Aulnay 93140 Bondy-France

B-38 Pergamon Press, Inc. Maxwell House Fairview Park Elmsford, NY 10523 USA

OU

Pergamon Press Headington Hill Hall Oxford 0X30BW England

B-39 Prentice Hall, Inc. Attn: Mail Order Service Old Tappan, New Jersey, 07632 USA

B-A2 G. T. Orlob and Associates 424 Brentwood Drive Benicia, CA 94510 USA

B-43 Richard D. Irvin, Inc. 1818 Ridge Road Homewood, IL 60430 USA

B-44 Royal Meteorological Society James Glacier House Grenville Place Bracknell, Berkshire RG121BX England

B-45 Science Magazine American Association for the Advancement of Science 1515 Massachusetts Ave., Northwest Washington, D.C. 20005 USA

B-46 Société Hydrotechnique de France 199, Rue de Grenelle 75007 Paris France

B-48 Stanford University Microfilms 300 Zeeb Road Ann Arbor, MI 48106 USA

13

Tableau 1.2 (suite)

OU COMMANDER LES PUBLICATIONS DONT LES REFERENCES FIGURENT DANS LE GUIDE

Editeurs (suite)

B-49 Technical University of Dresden Mommsenstrasse 12 8027 Dresden German Democratic Republic

B-50 Texas Department of Water Resources Library P. 0. Box 13087 Capitol Station Austin, TX 78711 USA

B-51 United States Department of the Army Office, Chief of Engineers Publications Depot 890 S. Pickett Street Alexandria, VA 22304 USA

B-52 United States Army Corps of Engineers The Hydrologie Engineering Center 609 Second Street Davis, CA 95616 USA

B-53 Division Engineer Commander United States Army Engineer Division, North Pacific P. 0. Box 2870 Portland, OR 97208 USA

B-55 United States Environmental Protection Agency 401 M Street, Southwest Washington, D.C. 20460 USA

B-56 United States Geological Survey Branch of Distribution Box 25286 Denver Federal Center Denver, CO 80225 USA

OU

United States Geological Survey Office of Water Data Coordination USGS Mail Stop 417 National Center Reston, VA 22092 USA

B-57 United States Government Printing Office Superintendent of Documents Washington, D.C. 20402 USA

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Tableau 1.2 (suite)

OU COMMANDER LES PUBLICATIONS DONT LES REFERENCES FIGURENT DANS LE GUIDE

Editeurs (suite)

B-59 University of Minnesota Water Resources Research Center 866 Biological Sciences Center 1445 Gortner Avenue St. Paul, MN 55108 USA

B-60 Veb Verlag fur Bauwesen Franzosische Street 12-14 108 Berlin German Democratic Republic

B-61 Water Information Center The North Shore Atrium 6800 Jericho Turnpike Syosset, NY 11791 USA

B-62 Water Resources Publications P. 0. Box 2841 Littleton, CO 80161 USA

B-63 Department of Supply and Services Canada Mail Order 270 Alberta Street Ottawa, Ontario KIA 059 Canada

B-64 Thomas Telford Ltd. 1-7 Great George Street London SWIP 3AA UK

B-65 Krieger Publishing Company 645 N. York Avenue Huntington, NY 11743 USA

B-66 CMEA Sovet Ekonomicheskoj Vzaimopomoshchi Moscow USSR

B-67 Energia Marsovo pole, 1 Leningrad D-41 USSR

B-68 Gidrometeoizdat 2 linija 23 Leningrad 199053 USSR

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Tableau 1.2 (suite)

OU COMMANDER LES PUBLICATIONS DONT LES REFERENCES FIGURENT DANS LE GUIDE

Editeurs (suite)

B-69 VNIIG im.B.E.Vedeneeva Gzhatskaya ul, 21 Leningrad 195220 USSR

B-70 Metsniereba ul. Kutuzova 19 Tbilisi 380060 USSR

B-71 Mauka GSP-7, V-485 ul. Profsoyuznaya, 90 Moscow 117864 USSR

B-72 Nedra Tretyakovskij projezd, 1/19 Moscow 103633, K-12 USSR

B-73 Nauka ul. Shevchenko, 28 Alma-Ata 480021 USSR

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Tableau 1.3

COMPTES-RENDUS DES CONFERENCES ET SYMPOSIUMS INTERNATIONAUX RECENTS EN HYDROLOGIE

IAHS, 1965. Design of Hydrological Networks. Proceedings of the Quebec Symposium, June, 1965. Vols. I and II. IAHS publication Nos. 67 and 68.

IAHS, 1965. Representative and Experimental Areas. Proceedings of the Budapest Symposium, September-October, 1965. Vols. I and II. IAHS publication No. 66.

IAHS, 1966. Hydrology of Lakes and Reservoirs. Proceedings of the Garda, Verona Symposium, October, 1966. Vols. I and II. IAHS publications Nos. 70 and 71.

IAHS/Unesco, 1968. Water in the Unsaturated Zone. Proceedings of the Wageningen Symposium, August, 1966. Vols. I and II. IAHS publications Nos. 82 and 83. Unesco, Studies and Reports in Hydrology No. 2, Paris.

IAHS/Unesco, 1967. Hydrology of Fractured Rocks. Proceedings of the Dubrovnik Symposium, October, 1967. Vols. I and II. IAHS publications Nos. 73 and 74.

WMO/Unesco, 1969. Hydrological Forecasting. Proceedings of the Queensland Symposium, November-December, 1967. WMO No. 228. TP 122.

IAHS/Unesco/WMO, 1969. Floods and Their Computation. Proceedings of the Leningrad Symposium, August, 1967. Vols. I and II. IAHS publications Nos. 84 and 85. Unesco Studies and Reports in Hydrology No. 3, Paris.

IAHS/Unesco, 1972/3. Results of Research on Representative and Experimental Basins. Proceedings of the Wellington Symposium, December, 1970. Vols. I and II. IAHS publications Nos. 96 and 97. Unesco Studies and Reports in Hydrology No. 12, Paris.

IAHS/Unesco/WMO, 1972. Symposium on World Water Balance. Proceedings of the Reading Symposium, July, 1970. Vols. I, II and III. IAHS publications Nos. 92, 93 and 94. Unesco Studies and Reports in Hydrology No. 11, Paris.

IAHS/Unesco/WMO, 1973. Hydrometry. Proceedings of the Koblenz Symposium, September, 1970. Vols I and II. IAHS publication No. 99. Unesco Studies and Reports in Hydrology No. 13, Paris.

Man-Made Lakes, Their Problems and Environmental Effects. Knoxville, 1971. (Abstracts of papers). (233 pp.)

IAHS/Unesco/WMO, 1974. Mathematical Modeling in Hydrology. Proceedings of the Warsaw Symposium, July, 1971. Vols. I, II arid III. IAHS publications Nos. 100, 101 and 102. Unesco Studies and Reports in Hydrology No. 15, Paris.

IAHS, 1975. Groundwater Pollution. Proceedings of the Moscow Symposium, August, 1971. IAHS publication No. 103.

IAHS, 1975. Snow and Ice. Proceedings of the Moscow Symposium, August, 1971. IAHS publication No. 104.

Unesco/IAHS, 1975. Hydrology of Marsh-Ridden Areas. Proceedings of the Minsk Symposium, June, 1972. IAHS publication No. 105. Unesco Studies and Reports in Hydrology No. 19, Paris.

Uneseo/WMO/IAHS, 1973. The role of snow and ice in hydrology. Proceedings of the Banff Symposium, September, 1972. Vols. I and II. IAHS publication No. 107.

Uneseo/WMO/IAHS, 1974. Design of Water Resources Projects with Inadequate Data. Proceedings of the Madrid Symposium, June, 1973. Vols. I and II (674 p.) IAHS publication No. 108. Unesco Studies and Reports in Hydrology No. 16, Paris.

17

Tableau 1.3 (suite)

COMPTES-RENDUS DES CONFERENCES ET SYMPOSIUMS INTERNATIONAUX RECENTS EN HYDROLOGIE

IAHS, 1973. Hydrology of Lakes. Proceedings of the Helsinki Symposium, July, 1973. IAHS publication No. 109.

IAHS, 1975. Application of Mathematical Models in Hydrology and Water Resources Systems. Proceedings of the Bratislava Symposium, September, 1975. IAHS publication No. 115.

IAHS, 1975. The Hydrological Characteristics of River Basins. Proceedings of the Tokyo Symposium, December, 1975. IAHS publication No. 117.

Unesco, 1978. Water Balance of Europe. Key Reports of the Workshop on the Water Balance of Europe, Varna, September-October, 1976. Technical Documents in Hydrology, Unesco, Paris.

IAHS, 1976. Artificial Recharge of Aquifers and Management, of Aquifers. Proceedings of the Haifa Symposium, March, 1976. IAHS publication No. 72.

IAHS, 1977. Erosion and Solid Matter Transport in Inland Waters. Proceedings of the Paris Symposium, July, 1977. IAHS publication No. 122.

IAHS/Unesco, 1977. Effects of Urbanization and Industrialization on the Hydrological Regime and on Water Quality. Proceedings of the Amsterdam Symposium, October, 1977. IAHS publication No. 123. Unesco Studies and Reports in Hydrology, No. 24, Paris.

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B-66

B-26

B-63

A-2

B-68

B-68

B-19

A-5 or A-7 (USA)

B-27

B-68

B-71

B-68

B-68

B-18 (1)

B-29

B-4

(1) Epuisé; on peut trouver des exemplaires en bibliothèques.

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(A command d'après tableau B-68

A-7 (1)

A-7 (1)

A-7

A-7

A-9 (2)

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A-7 (5)

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A-7

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B-17

A-10

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(1) Epuisé; on peut trouver des exemplaires en bibliothèques (2) Disponible en quantités limitées (3) Les volumes 2 et 3.1 sont épuisés; on peut trouver des exemplaires en bibliothèques (4) Epuisé; on peut trouver des exemplaires en bibliothèques (5) Ne peut être commandé séparément, coût approximatif: $110 U.S. dollars (6) A commander au USGS en Virginie, USA

20

2. Revue rapide des calculs hydrologiques à effectuer pour les projets d'aménagement des eaux

2.1 LES DONNEES HYDROLOGIQUES ET METEOROLOGIQUES ET LEUR TRAITEMENT

2.1.1 Introduction

Les données hydrologiques et météorologiques recueillies au moyen des réseaux d'observation sont la base principale des estimations hydrologiques en matière d'aménagement des eaux. La qualité de ces estimations dépend de la disponibilité de ces données, de leur densité dans le temps et dans l'espace ainsi que de leur précision (Klemes, 1973; et MacMahon, 1979). Lors­qu'elles sont inadéquates, tout projet devrait commencer par l'implantation d'un réseau de mesure conçu pour ce projet (OMM*, 1976).

Quand on dispose d'annuaires, ils peuvent constituer la première source d'information. Il est toutefois nécessaire, dans la plupart des cas, de partir des observations de base sous leur forme originale (borderaux d'observations, diagrammes on bandes d'enregistrement, etc...). Si les données demandées sont disponibles sous une forme compatible avec le calcul par ordinateur, leur extraction et leur traitement peuvent s'en trouver grandement facilités (Roche, 1968). Occa­sionnellement, il peut se faire que les données soient disponibles sous une forme permettant de les utiliser directement (vérifiées et traitées). Même en ce cas, il est toutefois nécessaire de procéder à une mise à jour.

2.1.2 Données météorologiques

Si on peut disposer d'un réseau de stations de jaugeage dense, avec de longues périodes d'observations suffisamment fréquentes, l'information qu'on peut en- tirer constitue souvent une base suffisante pour de nombreuses sortes d'estimations hydrologiques pour l'aménagement des eaux.

Pour résoudre certains problêmes, les données météorologiques peuvent toutefois présenter un grand intérêt (OMM, 1976; OMM, 1974 and OMM, 1975b), par exemple des données, pluviométriques pour le calcul des crues exceptionnelles au moyen de modèles précipitations-débits, pour combler les lacunes des chroniques de débits, etc.. Par ailleurs, des données sur 1'evaporation ou ses facteurs conditionnels (rayonnement, humidité, vent)peuvent être d'un grand secours, par exemple pour l'estimation de 1'evaporation sur un réservoir ou pour celle des pertes dans les projets d'irrigation (Ratkovich, 1976; et Syroezhin, 1974).

Des mesures de la neige et de sa fonte peuvent servir à l'élaboration d'un système de prévision des débits provenant de la fonte de la neige. Des données météorologiques telles que la pluie, la température de l'air, le rayonnement solaire, la vitesse du vent, etc.. sont aussi utilisées pour estimer la teneur en eau de la neige, la fonte de la neige et les conditions de l'existence et du comportement des glaces dans les cours d'eau. Les mesures de neige (hauteur, teneur en eau et leur distribution spatiale) font également partie des éléments nécessaires à la prévision de l'écoulement provenant de la fonte de la neige. Dans de nombreux pays, le comportement des glaces dans les fleuves, les lacs et les réservoirs peut être une source d'ennuis pour la navigation ou les ouvrages. Les mesures concernant le couvert de glace, telles que celles de son épaisseur ou autres, peuvent également servir à prévoir les conditions futures.

2.1.3 Données hydrologiques

L'estimation des caractéristiques hydrologiques peut faire appel à plusieurs sortes de données hydrologiques. Les données dont l'usage est le plus fréquent concernent les hauteurs d'eau, les débits liquides et les matériaux transportés pour lesquels on donnera davantage de détails

*Voir référence à WMO

21

par la suite. D'autres données, telles que la vitesse de l'eau, sa température, ses propriétés

chimiques et physiques, peuvent aussi avoir leur importance. On peut conseiller de créer une banque de données météorologiques et hydrologiques avant de

commencer l'étude d'un projet majeur d'aménagement des eaux. Une telle banque, qui consiste essentiellement en fichiers permanents (quelquefois assortis d'un logiciel de gestion sur ordinateur), devrait contenir à la fois les données brutes d'observation et les données qui sont le résultat d'études critiques et de l'indispensable traitement des données.

2.1.3.1 Données hauteurs. Les données sur les hauteurs d'eau proviennent de l'exploitation de divers types d'échelles limnimétriques ou limnigraphes. Les types de ces capteurs, ainsi que les nombreux problèmes entraînés par les mesures, font l'objet d'exposés dans de nombreux manuels tels que OMM (1974), Chow (1964) et USGS (1978) et on n'en parlera pas ici.

2.1.3.2 Données débits La transformation des hauteurs observées à l'échelle en débits se fait au moyen d'une relation hauteur-débit non linéaire(courbe d'étalonnage) établie à partir de jaugeages (par exemple au moulinet). Comme il est constant de ne disposer, à une station de jaugeage, que d'un nombre réduit de jaugeages, et que les jaugeages de crues sont rares, souvent les courbes d'étalonnage ne présentent pas toute garantie, surtout si on a dû les extrapoler pour les hautes eaux. Les possibilités de modification des conditions hydrau­liques au droit de l'échelle (dues par exemple au remblaiement, au surcreusement, à la végétation ou à la présence de glace) sont également des sources fréquentes d'erreurs. D'autres problèmes proviennent du fait que dans des conditions d'écoulement très éloignées du régime permanent (notamment pendant les crues), les courbes d'étalonnage ne sont pas univoques (phénomène dit d'hystérésis). On trouvera des indications complémentaires sur ces problèmes dans des traités tels que Chow (1964) et Roche (1963).

2.1.3.3 Données débits solides Les données sur les débits solides, en charriage et en suspension, sont difficiles à acquérir et ne sont pas très précises. En outre, les mesures coûtent cher et, pour les entreprendre, il faut être sûr qu'on en a vraiment besoin. On trouve des informations à ce sujet dans la littérature (OMM, 1974; Chow, 1964 et Davis, 1969). La détermination de l'accumulation des dépôts dans les réservoirs est traitée en 4.8.5.

Pour le calcul des débits moyens annuels des matériaux en suspension, on peut utiliser les relations (établies graphiquement) entre le débit moyen annuel et les poids de matériaux transportés en suspension (Chow, 1964 et Davis, 1969).

2.1.4 Fréquence des données

Pour obtenir la meilleure précision dans les estimations hydrologiques, il est généralement souhaitable de disposer d'enregistrements continus (appareils automatiques) et d'exécuter les calculs sur les chroniques continues elles-mêmes. Dans de nombreux cas, ce n'est pas nécessaire ou possible pour les raisons suivantes :

1) les observations sont faites à heure ou date fixe; on ne dispose de données que sur des intervalles de temps donnés (par exemple le jour, la semaine, le mois);

2) Les estimations sur des intervalles de temps courts (par exemple l'heure) coûteraient parfois trop cher, même avec des ordinateurs rapides ;

3) des intervalles de temps plus granas (par exemple les valeurs mensuelles pour l'estimation de la capacité de stockage nécessaire pour un réservoir destiné à

l'approvisionnement en eau) sont souvent suffisants. L e choix de l'intervalle des mesures et du pas de temps des calculs n'est pas sans

incidence sur la précision des évaluations hydrologiques et doit être examiné en lui-même et avec soin.

2.1.5 Propriétés statistiques des données

Les données hydrologiques etclimatologiques peuvent être considérées comme des échantillons statistiques tirés de longues séries d'événements engendrés dans la nature par les processus hydrologiques et météorologiques, séries qui représentent des populations statistiques (Dyck, 1976; Svanidze, 1977; Rozhdesvenski, 197 4; Brunet-Moret, 1969; Yevjevich, 1972a; Yevjevich, 1972b et Shen, 1976).

Parmi les paramètres importants pour les aménagements hydrauliques, on peut citer : le débit moyen annuel;

la répartition des débits dans l'année (saisons, périodes diverses, mois, jours).

débits de pointe et débits moyens maximaux correspondant à différentes durées :

a) dus à la fonte des neiges (maximum de crues de fonte de neige); b) dus à la pluie (maximum de crues pluviales);

c) dus à l'intervention des deux phénomènes (pluie et fonte de neige).

22

volumes de ruissellement provenant des crues de fonte de neige et des crues pluviales ; débits minimaux :

a) débits minimaux moyens journaliers en différentes saisons telles que l'été et l'hiver ;

b) débits minimaux moyens mensuels en différentes saisons ;

c) durée des périodes de sécheresse et de gel. débit solide annuel en suspension ou en charriage ; répartition de ces débits solides au cours de l'année ; durée des phénomènes de glaces : couche de glace, charriage des glaces.

Ces paramètres peuvent être calculés à partir de chroniques obtenues par des observations de longue durée. Afin de pouvoir leur appliquer les méthodes statistiques normales, on doit tester la stationnarité et l'homogénéité des données au moyen des techniques indiquées dans la section 4.1. Si les variables sont stationnaires, on peut appliquer les méthodes habituelles de la théorie des probabilités et de l'analyse des chroniques (processus stochastiques). La non-homogénéité des séries statistiques peut être due aux raisons suivantes :

a) combinaison, dans les séries, de caractéristiques d'origines différentes (par exemple de crues pluviales avec des crues de fonte de neige) ;

b) influence de l'activité humaine (AISH, 1977; Rodier, 1974; et Shiklomanov, 1975) sur les conditions de la formation de l'écoulement (par exemple, urbanisation).

Les méthodes permettant de détecter la non-stationnarité et la non-homogénéité, ainsi que celles qui permettent d'en venir à bout sont mentionnées en section 4.1. Un autre problème est posé par l'imprécision qui peut venir de facteurs tels que : changement de l'emplacement de la station ou .celui de la cote à l'échelle correspondant à un écoulement nul, imprécision des appareils de mesure ou des jaugeages eux-mêmes, changement dans la distribution des vitesses dû à la végétation ou à la couche de glace. De plus, l'utilisation de courtes périodes d'observation peut entraîner des erreurs d'échantillonnage, les caractéristiques de la période utilisée pouvant n'être pas représentatives de celles de la population-mère.

On entend souvent dire qu'en présence de données inadéquates (de piètre qualité et peu nombreuses), on peut se contenter de méthodes simples. C'est souvent le contraire qui est vrai, car il est nécessaire, si les données sont inadéquates, de les traiter par des méthodes relativement sophistiquées pour en extraire le maximum d'information.

On trouvera, dans le rapport n° 419 de l'OMM (OMM, 1975b), un résumé utile sur les "données météorologiques et hydrauliques requises pour la planification de l'aménagement des ressources en eau". Ce rapport contient un glossaire des paramètres et caractéristiques hydro-météorolo­giques pour la conception des systèmes d'aménagement des ressources en eau qui peut être particulièrement intéressant quand on s'occupe de planification.

2.1.6 Reconstitution et synthèse des données

Il peut être intéressant d'utiliser des méthodes de reconstitution ou de synthèse des données hydrologiques dans les cas où :

1) les chroniques de données observées contiennent des lacunes ; 2) la période d'observations est courte ;

3) les données ne sont pas disponibles au droit de l'aménagement (par exemple au site du barrage), mais quelque part dans les environs.

Ces méthodes peuvent consister à : 1) combler les lacunes en utilisant l'information tirée de :

a) stations voisines, par exemple par corrélations croisées ou régressions (Chow, 1964; Dyck, 1976; Svanidze, 1977; Fiering, 1971 et Fleming, 1975).

b) stations pluviométriques.

2) procéder à l'extension de courtes périodes par corrélations croisées ou par régression avec : a) d'autres stations de jaugeage ; b) des relevés pluviométriques.

3) synthétiser d'autres chroniques ayant approximativement la même structure statistique que celle de la chronique observée. De telles données synthétiques constituent des séquences de débits dont l'apparition dans le futur est aussi vraisemblable que celle de la chronique historique. Ces méthodes sont exposées dans les sections 4.1, 4.8 et 4.9.

2.1.7 Etude critique des données

Quand on fait une étude mettant en jeu des données hydrologiques ou météorologiques, l'essentiel est d'avoir de bonnes données. Avant donc de faire quoi que ce soit, il faut contrôler leur qualité. Les méthodes qui permettent d'éviter, de réduire, de détecter et de corriger les erreurs forment un ensemble qu'on appelle l'étude critique des données (OMM, 1974), Les

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erreurs sur les données se répartissent en deux grandes catégories : les erreurs accidentelles et les erreurs systématiques.

Les erreurs accidentelles sont celles qui résultent des fautes de l'observateur, d'une interprétation erronée des originaux de l'observateur et des erreurs de traitement ou de transcription. Des erreurs peuvent aussi être provoquées par l'influence d'un phénomène physique, tel que l'effet de la pression atmosphérique sur le niveau des puits ou celui d'une seiche sur les observations du niveau d'un lac. De telles erreurs tendent à être distribuées autour de la moyenne; il s'ensuit que leur importance diminue jusqu'à pratiquement s'annuler lorsqu'on utilise un grand nombre d'observations pour calculer une valeur moyenne.

On peut minimiser l'importance des erreurs accidentelles en procédant à une vérification soignée pour éliminer les erreurs de transcription. Quand on rencontre des anomalies flagrantes, un examen attentif des données permet de s'assurer qu'elles ne sont pas tout simplement le résul­tat d'erreurs d'observation. Une anomalie apparente peut être due à la petite taille de l'échantillon dont on dispose et on peut faire une comparaison avec d'autres informations recueillies dans la région. Les avis sont partagés sur la manière de traiter ce qu'on appelle les "points aberrants".

Les erreurs systématiques peuvent provenir d'une mauvaise habitude de l'observateur, d'un appareil défectueux, de la situation du capteur et des méthodes d'analyse des données. L'analyste peut être au courant des emplacements des appareils et de l'erreur systématique qui peut résulter de modifications dans l'exploitation des terres, des aménagements hydrauliques situés à l'amont, de la modification du lit des cours d'eau, etc.. Selon l'usage que l'on compte faire des données et suivant les disponibilités en personnel et en moyens financiers, n'importe quelle erreur systématique peut être corrigée en vue d'obtenir un ensemble cohérent de données. /

Les références mentionnées par le Guide sur l'étude critique des données, telles qu'on vient de l'exposer, sont plutôt rares. Les méthodes de détection et de correction des données ne sont traitées que dans de rares ouvrages (Herschy, 1978), et encore de façon succincte. Il n'existe malheureusement pas de publication d'ensemble sur ces méthodes qui se trouvent dis­persées dans la littérature. Il semble nécessaire de consulter les instituts nationaux spécialisés dans le traitement des données hydrologiques pour réunir une plus ample information sur les méthodes pratiquées pour ces études critiques.

2.2 INTRODUCTION AUX TECHNIQUES HYDROLOGIQUES ET LEUR ADEQUATION AUX DIFFERENTS TYPES DE PROJETS

2.2.1 Objectif

L'objet de cette section est une brève introduction des principales techniques hydrologiques qui seront exposées plus à fond au chapitre 4 et d'indiquer, au moyen du tableau 2.1, leurs relations avec les différents types d'aménagements tels qu'on les expose au chapitre 3. La classification de ces types d'aménagement adoptée dans ce chapitre 3 est reprise sous la rubrique "aménagements" dans la 1ère ligne du tableau 2.1. Les techniques hydrologiques exposées dans le chapitre 4 figurent dans ce même tableau sous la rubrique "méthodes de calcul" dans la colonne 1 du même tableau. Les "x" de ce tableau permettent d'associer à chaque type de projet les méthodes de calcul dont on a généralement besoin pour le concevoir et le réaliser. Afin d'éliminer des répétitions dans le chapitre 3, les méthodes de calcul qui concernent toutes les catégories de réservoirs sont regroupées dans la section 3.2.1 tandis que les estimations complémentaires requises pour certains types de réservoirs figurent dans les sections 3.2.2 à 3.2.5 (voir tableau 2.1). Par exemple, un réservoir destiné au contrôle des crues fait appel à toutes les estimations mentionnées au 3.2.1, plus celles de la section 3.2.2. On trouvera une description plus détaillée de ces interrelations dans la section 3.1,

2.2.2 Analyse régionale pour la reconstitution des données manquantes

L'analyse régionale (exposée en 4.1) devient nécessaire lorsque les données hydrologiques, notamment les chroniques de débit, font défaut ou portent sur des périodes d'observation trop courtes pour permettre de résoudre, dans un bassin donné, les principaux problèmes posés par l'aménagement des eaux (Klemes, 1973). Ces méthodes sont basées sur la comparaison des caractéristiques d'un ou de plusieurs bassins voisins pour lesquels on dispose de relevés, avec celles du bassin étudié pour lequel on n'a rien ou seulement des séries de données trop courtes. Parmi les principales caractéristiques utilisées pour ces comparaisons, on note la taille des bassins, la topographie, le sol et la couverture végétale (ou autre type d'occupation du sol), les précipitations et autres facteurs météorologiques (dans la mesure où on dispose de données). D'autres facteurs peuvent être introduits en utilisant un découpage des bassins _en.., carroyage (technique de la gr_jlle__carrée : Solomon, 1968 et Foyster, ~Í9lTT. Quand-on"~a pu

24

établir l'homogénéité des bassins entre eux, on calcule la corrélation croisée entre les relevés; si elle est acceptable, la chronique peut le plus souvent faire l'objet d'une extension par aes méthodes de régression linéaire (Benson, 1967). Toutefois, si on utilise une régression linéaire pour reconstituer un grand nombre de valeurs individuelles non directement observées, la variance de la chronique obtenue sera entachée d'une erreur par défaut, et on peut être amené à corriger cette tendance par l'introduction, au cours de la reconstitution,d'une composante aléatoire (section 4.1.5). On peut également utiliser des méthodes graphiques pour mettre en évidence des relations entre des paramètres hydrométéorologiques relatifs à des bassins diffé­rents. Si on ne dispose d'aucune donnée sur les débits dans les régions concernées par le projet, on peut procéder par une simple règle de trois sur les surfaces des bassins et/ou sur les pluviométries si on dispose de données sur les pluies. Ces méthodes sont exposées de façon plus détaillée en 4.1.

L'analyse régionale peut être mise en oeuvre lorsqu'on doit constituer des chroniques de données, par exemple pour dimensionner un réservoir ou des ouvrages hydrauliques ne comportant pas de réservoir pour le contrôle des crues, l'irrigation et l'alimentation en eau, pour déter­miner les possibilités d'inondations et pour la planification de l'aménagement intégré d'un bassin versant.

2.2.3 Restauration des écoulements naturels

La plupart des données d'observation sur les débits prennent en compte des prélèvements d'eau effectués en amont pour des raisons diverses. Les valeurs des débits mesurés aux stations de jaugeage doivent subir des corrections si on veut obtenir les débits naturels dont on a besoin pour un certain nombre d'analyses hydrologiques (Shen, 1976), telles que l'analyse statistique (Chow, 1964), les bilans hydrologiques, l'établissement de droits d'eau antérieurs (aspects réglementaires), l'analyse des bénéfices et des coûts avec et sans les structures d'aménagement proposées ou existantes (voir 4.2). La méthode de correction pourrait paraître très simple : il suffit d'éliminer les conséquences, sur le régime des eaux, des ouvrages construits par l'homme. Il y a toutefois de nombreux cas où on ne sait pas grand chose de cette influence et où on doit l'estimer. Le problème se complique du fait qu'une partie des prélèvements peut être restituée en amont de la station de jaugeage, partie qu'on ne peut que grossièrement estimer. Il faut souvent aller jusqu'à mettre en jeu le mécanisme de la propagation des débits pour déterminer les débits naturels.

2.2.4 Analyse de la variabilité de l'écoulement

La distribution de l'écoulement annuel se traduit par des variations à long terme dans l'écoule­ment moyen annuel (section 4.3). En particulier, on a besoin d'être informé sur les périodes sèches et humides et sur les tendances. Des variations du régime peuvent également résulter de modifications dans le schéma d'utilisation des terres (Shiklcananov, 1975 et FAO, 1969) . En appliquant à des relevés de longue durée l'analyse des chroniques, on peut obtenir la distri­bution statistique des écoulements annuels.

La répartition de l'écoulement dans l'année dépend des variations climatiques saisonnières (4.3). Dans la plupart des applications, la distribution mensuelle des débits est suffisante et peut se déduire des variations des paramètres météorologiques. Pour quelques problèmes, il peut être nécessaire de considérer la répartition des débits à l'échelle journalière (4.3.4). Comme l'apparition des événements crue est aléatoire, les décisions concernant les réservoirs (ou autres structures) pour le contrôle des crues, doivent nécessairement être basées sur des courbes de distribution fréquentielle (Chow, 1964 et U.S. Water Resources Council, 1977). La marche à suivre est exposée en 4.4.

L'analyse fréquentielle des basses-eaux se base également sur des relevés historiques et, en quelques cas, on l'utilise pour évaluer le volume de stockage nécessaire qui doit être assuré par un ou plusieurs réservoirs, ou même pour projeter un système régional complet d'alimentation en eau. De telles analyses sont indispensables pour montrer la nécessité de soutenir les débits de basses-eaux.

Les courbes de fréquence relatives au remplissage d'un réservoir permettent d'estimer la probabilité de défaillance des possibilités de fourniture en face de la demande (lorsque le réservoir s'assèche), ou de production hydroélectrique, ou de profits provenant de l'exploita­tion de l'eau pour les loisirs (Askew, 1974b et Askew,1974a). Ce dernier point prend en compte la fréquence de remplissage d'un réservoir à un certain niveau à certaines périodes. Des méthodes modernes telles que la théorie desafiles d'attente et la simulation peuvent être utilisées pour mettre au point ces courbes de fréquence du stockage.

Pour procéder à l'analyse des mesures destinées à assurer la protection contre les crues, on a besoin de connaître plusieurs paramètres concernant ces crues : débits de pointe avec leurs fréquences, forme, volume écoulé, temps de montée. Grâce à la connaissance de ces paramètres,

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le volume de stockage nécessaire à la lutte contre les crues, la conception d'autres formes d'aménagement structurales ou non, peuvent faire l'objet d'une estimation avec une probabilité donnée de défaillance. On peut aussi en déduire les bénéfices qu'on peut tirer de la mise en oeuvre de telle ou telle catégorie d'ouvrage. Les méthodes de calcul de la propagation des débits dans les rivières et de leur laminage dans les réservoirs peuvent servir également lors de la détermination des surfaces inondées.

2.2.5 Modélisation en hydrologie

Lorsque les données d'observation sur les crues sont inexistantes ou insuffisantes, l'hydro-gramme unitaire ou d'autres méthodes de modélisation de la transformation des précipitations en ruissellement peuvent permettre une estimation de ces crues en se servant des données météo­rologiques. Plusieurs définitions des crues de projet sont données en 4.5. Les modèles précipitation-ruissellement peuvent être d'un grand secours pour établir les chroniques de débit de longue durée dont on a besoin pour plusieurs sortes d'analyses mentionnées ci-dessus (voir chapitre 4 - Annexe - Voir aussi Cembrowicz, 1978; Girard, 1970 et Gupta, 1977). Les entrées à ces modèles sont généralement les précipitations et les températures, l'évapo­transpiration et l'humidité du sol, ainsi que les caractéristiques physiographiques des bassins. Ce genre de méthode s 'applique lorsque, comme c'est souvent le cas, les séries de données hydrologiques sont courtes en comparaison des séries de données météorologiques. Un autre champ d'application important de ces méthodes est la prévision à court terme des écoulements et des crues. Un modèle fiable de prévision des crues (OMM, 1975a), associé à un système d'alerte, peut constituer un système non structural tout à fait intéressant de protection contre les crues. Grâce à de tels systèmes, on peut limiter les dégâts par l'évacuation des zones menacées par les crues ou en permettant une utilisation optimale des réservoirs.

On peut, à l'aide de l'hydrologie stochastique, créer un grand nombre de chroniques de débits de n'importe quelle longueur,ayant à peu près les mêmes caractéristiques statistiques que la chronique historique de base. On utilisera ces chroniques principalement dans les techniques de simulation pour évaluer la capacité optimale des réservoirs et les consignes d'exploitation. Les chroniques synthétiques devraient avoir à peu près les mêmes moyennes, les mêmes écarts-types et les mêmes coefficients d'autocorrélation que la chronique historique. Elles peuvent néanmoins contenir des séquences sèches et/ou humides plus sévères ou indiquer que les chroniques observées peuvent être très peu représentatives. En appliquant cette technique, il est possible de créer plusieurs chroniques de même durée et de les utiliser en simulation de façon à obtenir des évaluations statistiquement plus sûres du fonctionnement du système d'aménagement (OMM, 1974; Fiering, 1971; Yevjevich, 1972a; Shen, 1976; Fleming, 1975 et Solomon, 1968) .

La simulation est la méthode la plus largement utilisée pour l'évaluation des volumes de stockage nécessaires (Shultz, 1976). Pour le contrôle des crues, on a besoin d'une simulation à court terme, avec un pas de temps beaucoup plus court que le pas mensuel généralement adopté pour d'autres buts. En général, les études de crues, qui mettent en jeu des pas de temps courts, sont effectuées pour chaque crue observée importante en simulant le fonctionnement du réservoir. Quelle que soit la destination du barrage, l'étude du laminage par le passage dans le réservoir est nécessaire pour vérifier la capacité de 1'évacuateurà laisser passer la crue de projet (4.5). Quand il s'agit de conserver l'eau pendant un certain temps pour une fourniture d'eau à usage quelconque (irrigation ou autre) ou pour une fourniture d'énergie hydroélectrique, on peut aussi avoir besoin d'une simulation au pas de temps mensuel. Quand l'aménagement doit satis­faire un seul type de fourniture, une analyse par diagramme de Rippl peut donner parfois une précision suffisante (4.8).

Récemment, on a mis au point des méthodes mathématiques plus élaborées, en particulier pour la planification intégrée d'un bassin. Parmi celles-ci figurent des techniques d'optimi­sation et de simulation (Hall, 1970 et Harboe, 1970). Ces techniques peuvent servir aussi pour l'analyse des problèmes relatifs à l'exploitation des réservoirs (4.8 et 4.9).

Leur objectif est d'optimiser directement ou indirectement les paramètres d'un système. Grâce à eux, on peut évaluer quantitativement les coûts et bénéfices de différentes réalisa­tions d'un projet ou de différents modes d'exploitation. Les caractéristiques du système d'aménagement, c'est-à-dire le bilan des volumes d'eau, les productions d'énergie, les débits d'entrées, la qualité des eaux et les demandes multiples peuvent être introduites sous forme de contraintes dans les expressions mathématiques du modèle. Elles constituent un ensemble de contraintes auxquelles doit se soumettre l'ensemble des paramètres du système quel'on fait varier en vue de les optimiser.

On peut aussi utiliser des modèles mathématiques en temps réel pour conduire l'exploitation optimale d'un réservoir ou d'un système de réservoirs existants. Ce type d'application implique en général l'existence d'un système fiable de prévision des crues (4.9).

26

2.2.6 Autres techniques hydrologiques

Le volume réservé au stockage des sédiments dans une retenue de barrage fait en général l'objet d'une estimation à part (4.8). Le volume du culot doit être assez largement calculé pour qu'il ne risque pas d'être comblé avant la durée de vie assignée à l'ouvrage. Les transports solides sont estimés à partir des mesures effectives de la suspension et du charriage à l'emplacement du réservoir. Des méthodes indirectes basées sur la connaissances des débits, delà pente du cours d'eau, de la couverture du sol et d'autres paramètres, peuvent également être utilisées, mais sont moins précises. Il faut tenir compte du fait que l'essentiel du transport solide a lieu durant les crues (voir 4.10).

A toutes les hauteurs calculées pour les différents ouvrages hydrauliques, il faut ajouter une revanche pour tenir compte de l'action des vagues (4.6). L'estimation de cette revanche est basée en partie sur l'expérience et elle devrait être augmentée lorsque le danger potentiel semble plus grand. Elle est également fonction de l'effet du vent.

La connaissance des lignes d'eau est nécessaire au calcul de la hauteur des digues pour la protection contre les crues. Elle ressort du calcul des courbes de remous ou des relations hauteurs-débits,telles que celles qu'on peut établir au droit des stations de jaugeage. Plusieurs méthodes plus ou moins compliquées ont été mises au point et on dispose d'un certain nombre de programmes sur ordinateur. Le choix de ces méthodes est exposé en 4.7. Les demandes en eau destinées à la protection de la faune aquatique et à la pêche, sont évaluées séparément, introduites en tant que contraintes dans les calculs relatifs à l'évaluation de la capacité de stockage et à l'exploitation des aménagements (4.8); cet aspect ne peut être abordé que par une action interdisciplinaire conduite par une équipe d'ingénieurs, de biologistes et d'écologistes. Les besoins relatifs aux loisirs sont difficiles à évaluer en termes écono­miques, analyse qui devrait pourtant préluder à leur optimisation. Lorsqu'il n'est pas possible d'établir des relations satisfaisantes du point de vue économique, il faudrait essayer d'estimer les contraintes exercées par les loisirs sur le niveau des réservoirs pendant certaines saisons ou tout au long de l'année. La décision finale des critères à adopter en matière de loisirs devrait finalement être la conclusion d'un cheminement politique au cours duquel les communautés concernées puissent exprimer leurs besoins, leurs désirs et leurs opi­nions .

Le soutien des étiages peut avoir plusieurs buts tels que le maintien de profondeurs suffisantes pour la navigation, le contrôle de la qualité, en assurant une dilution suffisante des rejets d'eaux usées, la protection de la vie aquatique et les loisirs. Chacun de ces objectifs demande à être étudié séparément (4.4 et 4.8).

2.2.7 Impacts des aménagement hydrauliques

Les effets positifs et négatifs de tous les aménagements des ressources en eau doivent faire l'objet d'un examen attentif (4.4 et 4.10). Les modifications des conditions de l'écoulement à l'aval d'un nouveau réservoir peuvent affecter les droits d'eau antérieurs d'autres usagers. Chaque fois que de tels droits existent, leur respect doit être prévu dans l'exploitation future du réservoir, ou bien les ayant-droits doivent recevoir une compensation pour les pertes subies.

La construction d'un réservoir implique une augmentation de la surface d'eau libre et donc un accroissement des pertes par evaporation. Ces pertes sont plus importantes en zones arides et croissent avec la température et le rayonnement solaire. On peut estimer 1'evaporation à partir de mesures sur bac en appliquant des coefficients de correction. Cet accroissement de 1 ' evaporation doit être pris en considération pour la détermination des apports réels dans le réservoir (4.8).

Lors de l'exploitation d'un réservoir, on peut s'attendre à des effets à la fois positifs et négatifs sur la qualité de l'eau, les teneurs en composants chimiques et biologiques peuvent être réduites par un long séjour de l'eau dans un réservoir. La teneur en oxygène dissous (DO) à l'exutoire d'un réservoir peut être plus fiablequ'à l'entrée, si l'eau est prélevée à la sortie dans les couches profondes de la réserve. Cet effet négatif peut être atténué si les exutoires sont conçus pour prélever l'eau des couches supérieures ou si on a prévu des dispositifs d'aération. Plusieurs méthodes, pour la plupart orientées vers le calcul sur ordinateur, permettent d'étudier les modifications de la qualité des eaux : elles sont présentées au 4.10.4.

La présence d'un réservoir réduit le débit solide puisque la plupart des matériaux transportés sont piégés par le réservoir (4.10.5). Si des sédiments fertilisants étaient, dans une situation antérieure, transportés par les crues et déposés sur les surfaces cultivées, il n'en sera plus de même après la construction du réservoir qui peut alors être considérée comme désavantageuse:' le coût des solutions de remplacement (fertilisants) doit faire l'objet d'une étude. L'érosion du lit à l'aval du réservoir peut aussi poser de sérieux problèmes.

27

Les réservoirs peuvent aussi avoir une influence sur le comportement des glaces en aval. Cette influence peut se traduire par des embâcles suivies de ruptures qui peuvent donner lieu à des inondations. La couche de glace sur les rivières et les lacs peut également être affectée. Lorsque l'eau d'un réservoir se vide dans des lacs ou dans l'océan, les propriétés thermiques et chimiques de cette eau peuvent se modifier. De tels effets devraient être pris en compte lors de la conception et de l'exploitation des réservoirs (4.10.8).

Dans les régions où l'hiver est rude, l'influence des réservoirs sur le climat local prend une importance particulière. L'augmentation de l'écoulement durant l'hiver à l'aval des réservoirs, par exemple, peut provoquer des brumes. Il faut examiner ces conséquences avec soin (4.10.8).

Les aménagements qui ne comportent pas de réservoirs, tels que les digues ou les corrections de cours d'eau, peuvent entraîner un accroissement de la vitesse du courant durant les crues. Les systèmes de drainage peuvent avoir des conséquences utiles,en augmentant les débits de basses eaux.

Les fortes crues sont souvent la conséquence d'un aménagement intensif (par exemple l'urbanisation). Par suite de la modification des conditions du sol, une grande partie des précipitations se transforme directement en ruissellement alors que dans l'état original l'évapotranspiration et le stockage dans les zones non saturées et saturées du sol peuvent retenir une part importante de ces précipitations.

L'érosion amène dans les cours d'eau de grandes quantités de matériaux qui provoquent des atterrissements, réduisant ainsi la capacité de débit.

L'accélération du mécanisme de ruissellement, s'ajoutant à la réduction de la capacité de débit des cours d'eau, a été en de nombreux cas la cause de crues violentes. Dans la lutte contre de telles crues, la mise en oeuvre d'une amélioration partielle de cours d'eau ne peut qu'aboutir à déplacer le problème. Il faut songer à des améliorations à l'échelle du bassin et adopter un plan de sauvegarde pour l'utilisation du sol.

28

Tableau 2.1

RECOUPEMENTS ENTRE LE CHAPITRE 3 (AMENAGEMENTS) ET LE CHAPITRE 4 (METHODES)

Chapitre 4

Méthodes de calcul

4.1 Analyse régionale

4.2 Détermination des débits naturels

4.3 Variation saisonnière et distribution interannuelle des débits

4.4 Courbes fréquencielles : - débit maximal - étiage - remplissage du réservoir

4.5 Crues de projet pour le dimensionnement des ouvrages - hydrogrammes - laminage

4.6 Détermination des revanches pour l'action du vent et des vagues

4.7 Lignes d'eau

4.8 Capacité des réservoirs - contrôle d e s crues - énergie hydroélectrique - autres utilisations - réserve de capacité pour les sédiments

4.9 Schémas d'exploitation des réservoirs: - réservoir unique - systèmes de réservoirs

4.10 Impacts des aménagements sur : - les débits - 1'evaporation - la qualité de l'environnement - le déplacement des matériaux - les eaux souterraines - la température de 1'eau - le comportement des glaces

4.A Utilisation des programmes de calcul

CHAPITRE 3 AMENAGEMENTS

AVEC RESERVOIRS

rvoirs

3.2.1 Pour tous les réseï

X

X

X

X X

X

X

X

X X

X X X X X X X

X

3.2.2 Res. Controle des crues

X

X

X X

3.2.3 Res. Hydroélectricité

X

X

3.2,4 Res. -Alimentation en eau

X

X

3.2.5 Res. - à buts multiples

X

X X

3.2.6 Combinaison de réservoirs et

autres formes d'aménagement

X

X X

X

SANS RESERVOIR

3.3.1 Contrôle des crues

X

X

X

X

X

X

X XXX

X

X

3.3.2 Contrôle de la qualité d'eau

X

X X

XXX

X

3.3.3 Irrigation

X

X

X

X

X

X XXX

X

3.3,4 Drainage

X

3.3.5 Alimention en eau

X

X

X X

XXX

X

3.3.6 Navigation

X

X X

X

X

X X X X X

3.3.7 Loisirs, pêche, vie aquatique

X X

XXX

X

3.4

Planification intégrée à l'échellf

du bassin

X

X

X

X X

X

X X X X X

X

X

29

Références (A commander à d'après le tableau 1.2)

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Pas de tirés à part; ces exemplaires de la revue sont disponibles à partir de 1973 à un coût variant de 10 à 15 $US

'^' Reproduction Xerox seulement (3) Peut être épuisé ( J Pas de tirés à part; la revue est disponible à un coût d'environ 15 $US t-5' On peut obtenir unièmement des photocopies pour 7,6 $US

30

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(A commander 1 d'après le tableau 1.2) B-23

A-4 (1)

A-10 (2)

B-ll

B-68

B-16

B-37

B-46 (3)

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(1) A commander seulement en France (2) Actuellement épuisé, réédition probable, disponible en bibliothèques (3) Coût 30F (4) Tirés à part e.t revue non disponibles, on peut trouver des

exemplaires en bibliothèques

31

A d'après 1 tableau 1

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(!) A commander à USGS en Virginie, USA

32

3. Paramètres hydrologiques dont l'estimation est nécessaire pour les différents types d'aménagement

3.1 INTRODUCTION

Le but du chapitre 3 est de fournir une information de base sur les différentes catégories d'aménagements des ressources en eau (3.1) et de dresser une liste aussi complète que possible des paramètres hydrologiques (présentée comme un enchaînement d'étapes à réaliser) que l'on est généralement amené à estimer pour projeter ou évaluer tel type d'aménagement (3.2-3.4). Les paramètres hydrologiques se divisent en ceux qui se rapportent aux aménagements à réservoirs (3.2)/ ceux qui concernent des aménagements sans réservoir (3.3) et ceux qui concernent l'aménagement intégré à l'échelle du bassin (3.4). Les paramètres hydrologiques relatifs aux réservoirs comprennent ceux qui concernent toutes les catégories de projet (3.2.1) et les paramètres supplémentaires qu'on doit estimer en plus pour certains projets (par exemple: aménagements pour le contrôle des crues (3.2.2)).

La plupart des estimations hydrologiques, dont la liste est dressée au chapitre 3, sont exposées au chapitre 4 où l'on"donne des références particulières concernant des détails sur d'autres méthodes et sur les modèles mathématiques. Le tableau 2.1 du chapitre 2 montre le recoupement entre les méthodes de calcul exposées au chapitre 4, qui donne en outre des réfé­rences à leur sujet, et la classification des aménagements adoptée au chapitre 3.

Le but du chapitre 3 est donc d'énumérer dans un ordre logique tous les paramètres hydrolo­giques nécessaires à la mise au point de chaque aménagement et de renvoyer aux sections appropriées du chapitre 4 pour une information plus détaillée sur d'autres méthodes de calcul également disponibles pour réaliser les estimations. Comme on l'a dit précédemment, le chapitre 4 ne contient pas les détails nécessaires à l'application des méthodes, mais résume seulement les méthodes disponibles et donne les références dans lesquelles chacune d'elles est décrite en détail.

La planification de l'aménagement des eaux requiert immanquablement de nombreuses autres sortes d'estimations, par exemple pour la justification économique et sociale des projets. Elles sont évoquées au chapitre 3 pour autant qu'elles se rapportent aux données hydrologiques du projet ou qu'elles constituent un préalable à l'organisation logique des événements à prendre en compte pour la planification et la conception des aménagements. Les composantes non hydrolo­giques des études énumérées au chapitre 3 ne sont pas exposées dans le chapitre 4 et, s'il y a lieu, les références qui les concernent sont données dans ce même chapitre 3.

Par suite des innombrables combinaisons que l'on peut faire des composantes avec ou sans réservoir dans la conception de scénarios d'aménagements à buts multiples, toutes les démarches que l'on peut conseiller dans le présent Guide doivent être interprétées avec souplesse. Ceci veut dire qu'un certain nombre de procédés que nous recommandons ne doivent pas toujours être considérés dans leur application intégrale à un objectif particulier, mais plutôt comme un élément pouvant servir à l'élaboration d'une méthode d'approche pour atteindre ce même objectif.

3.1.1 Buts des aménagements hydrauliques

Une des tendances les plus évidentes en matière d'aménagement des ressources en eau est l'élargissement progressif de leurs objectifs. Naguère, un aménagement était traité comme une solution à un problème spécifique concernant par exemple l'irrigation ou la production hydroélectrique. Avec l'augmentation du nombre de projets et l'accroissement de leur taille, il s'est avéré que des aménagements répondant à certains problèmes particuliers conduisaient souvent à des situations conflictuelles, du fait que leur impact économique était loin de l'optimum et, dans certains cas, franchement désastreux (Nations Unies, 1978).

La maîtrise et la régularisation des ressources en eau répondent à des objectifs très

33

variés. L'alimentation en eau des villes et des industries,l'irrigation, l'amélioration de la navigation, la production d'énergie hydroélectrique, l'atténuation des crues, le drainage des terres constituent des exemples de la maîtrise des eaux vue sous un angle quantitatif. La pollution est un obstacle à l'utilisation de l'eau à des fins municipales,agricoles et indus­trielles et diminue sérieusement sa valeur sur le plan des loisirs et de l'esthétique pour les lacs et les cours d'eau : la maîtrise de la qualité de l'eau est donc un objectif important dans nombre de projets d'aménagement.

Dans les projets modernes d'aménagement des eaux, on s'efforce de satisfaire en même temps plusieurs de ces objectifs, car de tels aménagement à buts multiples tendent justement vers une meilleure justification socio-économique. Un système de classification des aménagements hy­drauliques distingue d'une part les aménagements simples(un seul site) des aménagement complexes (plusieurs sites), d'autre part les aménagements à but unique des aménagement à buts multiples, les deux notions étant évidemment distinctes. Les projets limités à un seul site sont conçus pour répondre à des demandes sur une surface limitée; les aménagements comportant plusieurs sites sont plus largement répartis dans l'espace pour réaliser un schéma à plus large vue.

Le tableau 3.1, tiré d'une analyse de Chow (1964, pages 26-2, 26-3), présente les relations qu'on peut établir entre les objectifs des aménagements, leur destination et les dispositions structurales qu'on met en général en oeuvre pour les satisfaire. Le tableau montre que les mêmes dispositions structurales peuvent répondre en même temps à différents objectifs et illustre les idées sous-jacentes à tout aménagement à buts multiples.

Il est tout à fait courant que les buts d'un aménagement hydraulique changent avec le temps. C'est ainsi qu'un réservoir unique peut être réalisé en tant que premier élément d'un plan futur envisagé à l'échelle du bassin et soit exploité en conséquence. Quand on complète le système par d'autres réservoirs, l'exploitation du premier peut se trouver modifiée pour tenir compte de l'ensemble et ses buts initiaux changés. L'éventualité d'avoir à modifier de temps en temps les règles d'exploitation, et même de. changer d'objectifs, est un des traits caractéristiques de tout aménagement des ressources en eau.

De nombreux objectifs visés par l'aménagement des eaux peuvent aussi être atteints, au moins partiellement, par des dispositifs que l'on qualifie de non-structuraux. C'est ainsi que l'ensemble des mesures concernant les bassins versants et destinées à sauvegarder et à améliorer la qualité des eaux, tâche essentielle et permanente, sont pour une grande part non-structurales. Une planification intégrée des ressources en eaux, pour des aménagements con­cernant la mise en valeur du sol ou visant d'autres buts, est particulièrement importante à cet égard. Un autre exemple de disposition non-structurale est la réglementation concernant l'occupation d'une plaine inondable et la mise en place de règlements d'assurances contre les crues afin d'atténuer les effets des dommages qu'elles peuvent causer.

La planification des ressources en eaux exige donc que l'on fasse le tour de toutes les possibilités d'aménagements, structuraux ou non, offertes aux planifications. La répugnance à envisager des alternatives non-structurales en aménagement des eaux est imputable pour une grande part à des facteurs institutionnels. Malheureusement, les institution responsables de la planification et de la prise de décision en matière d'aménagement des eaux ont souvent des caractéristiques qui ne les portent guère à encourager et à appuyer la recherche et la mise en lumière des solutions non-structurales.

3.1.2 Principaux types d'aménagement hydrauliques

Bien qu'il existe plusieurs façons de classer les types d'aménagements, dans ce Guide on distingue deux catégories de base : (1) les aménagements avec réservoirs et (2) les aménage­ments sans réservoir. La première catégorie comprend toutes les sortes de réservoirs d'accu­mulation destinés à assurer une meilleure répartition des eaux de surface dans le temps, afin de satisfaire au mieux à des objectifs économiques, sociaux et concernant l'environnement. L'accumulation souterraine et la recharge des nappés sont en dehors du domaine du Guide. Il s'agit aussi bien d'aménagements comportant un seul réservoir (à but unique ou à buts multiples) que de systèmes de réservoirs. Le but de ces réservoirs est d'atteindre un ou plusieurs des objectifs suivants :

a) contrôle des crues ; b) énergie hydroélectrique c) approvisionnement en eau municipale et industrielle

d) irrigation e) navigation f.) contrôle de la qualité des eaux

g) loisirs h) amélioration de la pêche et des conditions de vie de la faune aquatique.

34

Dans le cas de réservoirs à buts multiples, les tranches d'accumulation correspondant à un ou plusieurs des objectifs énumérés ci-dessus (stockage pour le laminage des crues, stockage pro­ductif , etc. .. ) sont souvent fixées au moment de la conception et prises en compte pour l'élabora­tion des règles d'exploitation. Ces "allocations de stockage" doivent être interprétées avec souplesse. Dans les bassins sujets aux crues brutales, il peut être parfois justifié d'étudier séparément le volume de stockage nécessaire à la maîtrise des crues et le volume des réservoirs dont on a besoin pour une bonne gestion des fournitures d'eau. Cette façon de procéder conduira à déterminer des tranches physiquement distinctes pour le contrôle des crues et pour l'alimen­tation en eau. La grandeur de ces tranches peut être variable dans le temps; c'est ainsi que la tranche réservée à l'amortissement des crues peut être largement réduite durant la saison où le risque de crue est faible. La détermination des volumes de stockage nécessaire à des buts multiples devrait tenir compte de l'ensemble des échanges possibles concernant chacun de ces buts, à chaque instant. Les tranches de stockage (sauf pour le contrôle des crues) ne devraient pas, en général, être allouées exclusivement pour tel ou tel objectif (hydroélectricité, alimen­tation en eau, etc...).

Un réservoir isolé est rarement la seule composante d'un aménagement des ressources en eau. Les réservoirs sont généralement combinés avec d'autres componsantes, telles que des digues ou des améliorations du lit du cours d'eau, qui peuvent se rapporter aux mêmes objectifs que les réservoirs mais ne permettent pas une redistribution dans le temps de l'écoulement de surface. Tous les aménagements qui ne disposent pas d'une possibilité de stockage sont présentés dans ce Guide dans la catégorie "aménagements sans réservoir". L'exemple classique de ce type d'aména­gement est donné par un schéma d'alimentation en eau (par exemple pour l'irrigation) consistant en un transfert d'eau sur longue distance depuis des régions excédentaires jusqu'à des zones où se fait sentir la pénurie, ce transfert réalisant une redistribution spatiale des ressources en eau de surface. Les installations de transfert sont en général combinés avec des aménagements comportant des réservoirs; elles présentent cependant, du point de vue des calculs hydrologiques, un ensemble de problèmes différents de ceux que l'on rencontre avec les réservoirs d'accumulation.

Les types d'aménagements structuraux et non—structuraux, mis en oeuvre pour modérer les dommages des crues, regroupent ceux qui:

1) réduisent le débit maximal par laminage dans des réservoirs,

2) obligent les eaux à s'écouler dans un chenal déterminé en utilisant des digues, des murs de protection ou des passage couverts,

3) réduisent les niveaux maximaux par un accroissement des vitesse obtenu par une amélioration des conditions de l'écoulement dans les chenaux;

4) détournent les crues dans des canaux, des conduites, des tuyaux, des déchargeurs, ou des by-pass,

5) permettent l'évacuation des zones inondées, 6) protègent contre les crues des objectifs définis, 7) réduisent le ruissellement des crues par un aménagement du sol,

8) permettent de délimiter les zones inondables et/ou mettent en place un système d'assurance contres les crues,

9) instaurent des systèmes de prévision et d'alerte des crues.

D'autres sortes d'aménagements visant à satisfaire les besoins de l'irrigation et de l'alimen­tation en eau comportent des barrages, des canaux, des puits, des systèmes de distribution, des ouvrages de prise, des ouvrages de désalinisation, etc.. Les aménagements concernant la navigation comportent des écluses, des barrages et des ouvrages de stabilisation du cours d'eau.

3.2 PARAMETRES HYDROLOGIQUES REQUIS PAR LES AMENAGEMENTS COMPORTANT DES RESERVOIRS

Parmi les estimations exigées par la planification et la conception des aménagements à réservoirs, un certain nombre présentent un caractère général, indépendamment de la destination des ouvrages. Une fois qu'elles ont été réalisées (3.2.1), on doit les compléter par des études spécifiques relatives au type d'aménagements: contrôle des crues (3.2.2), énergie hydroélectrique (3.2.3), fourniture d'eau (3.2.4). Pour les aménagements à buts multiples, viennent s'ajouter des études complémentaires dont on donne une brève enumeration (3.2.5). Un dernier paragraphe, con­sacré à l'intégration des réservoirs avec d'autres ouvrages ou avec des mesures non-structurales (3.2.6), établit une liaison entre les présentations des aménagements avec et sans réservoir.

3.2.1 Démarchegénérale quelle que soit la destination des réservoirs

1) Lorsqu'on ne dispose pas de mesures de débits aux sites d'aménagement, ou lorsque

les relevés sont insuffisants, entreprendre des études, en utilisant les données

provenant de stations voisines. Une information peut être tirée de données régionales

concernant les précipitations annuelles moyennes, les relations intensité-durée-

fréquence, les caractéristiques de 1'hydrogramme unitaire, l'écoulement annuel et sa

distribution statistique (4.1).

35

2) Déterminer les débits naturels entrant dans le réservoir et pouvant se produire aux points sensibles situés à l'aval (4.2).

3) Déterminer les caractéristiques du réservoir, telles que sa courbe de remplissage et celle de la surface du plan d'eau en fonction de sa hauteur (Chow, 1964, pages 25-65; Linsley, 1979, page 148).

4) Evaluer les courbes de fréquence des volumes stockés et des hauteurs dans le réservoir, à partir des résultats d'une simulation portant sur tous les cas de figure prévus pour son exploitation (4.4 et 4.8).

5) Calculer les crues de projet pour dimensionner 1'évacuateur: évaluer l'effet du laminage de ces crues dans le réservoir et éventuellement de leur propagation dans le cours d'eau (4.5).

6) Calculer la hauteur maximale dans le réservoir obtenue lors du passage de la crue de projet, en tenant compte du laminage (4.5).

7) Evaluer la revanche nécessaire pour tenir compte de l'effet du vent et des vagues (4.6).

8) Evaluer les hauteurs que pourrait atteindre l'eau dans le réservoir et les affluents en cas d'éventuelles défaillances du barrage et pour les crues de projet retenues (4.7).

9) Evaluer les quantités de sédiments qui peuvent se déposer dans le réservoir au cours du temps et leur distribution statistique (4.8).

10) Evaluer le culot du barrage et la hauteur minimale à laquelle on doit maintenir le plan d'eau pour satisfaire les exigences de la pêche et de la faune aquatique, des loisirs, etc.. (4.8).

11) Examiner les conséquences d'une évacuation des crues en catastrophe sur le dimensionnement des exutoires (Linsley, 1979, pages 230-242).

12) Evaluer, si le cas se présente, la réduction de la capacité de stockage due à la neige et aux glaces (4.8)'.

13) Déterminer les règles d'exploitation du réservoir (4.9). 14) Evaluer les risques de défaillance dans la réalisation des objectifs

(Linsley, 1975, page'391; OMM, 1947a, pageA20; Linsley, 1979, pages 157-158). 15) Déterminer les effets du réservoir sur les écoulements dans le cours d'eau,

la qualité de l'eau (y compris la température, l'O D, la D B 0, etc...), les déplacements de matériaux dans le remous du barrage et, à l'aval de l'aménage­ment, la dégradation du lit en aval, l'érosion des rives, 1'evaporation, la pêche et la vie aquatique, le régime des eaux souterraines et les phénomènes relatifs aux glaces (4.10).

2 Compléments pour les réservoirs destinés à l'amortissement des crues

1) Etablir un plan d'exploitation du réservoir sans négliger les possibilités offertes par un éventuel système de prévision des crues et en tenant compte des points situés à l'aval pour lesquels on veut réduire les dommages causés par les crues en agissant sur le fonctionnement du réservoir.

2) Déterminer le délai minimal de prévision pour lequel on peut encore agir sur le réservoir et la précision moyenne de la prévision qui correspond à ce délai (par exemple: 20% sur les débits pour un délai inférieur ou égal à 12 heures (4.9.7).

3) Calculer le volume de stockage nécessaire au contrôle des crues et les débits régularisés qui en résultent, en procédant à une simulation de la propagation de la crue, étude qui doit tenir compte du fait que les dommages aux points les plus sensibles doivent être aussi faibles que possibles (4.8).

4) Pour chaque point particulièrement menacé, situé à l'aval du réservoir projeté, établir les courbes de distribution statistiques des hauteurs dans les conditions d'écoulement naturel et régularisé; cette opération doit être répétée pour toute une gamme de capacités de stockage (4.4).

5) Evaluer la capacité de débit à donner à 1'évacuateur en tenant compte des capacités de débit du chenal aval et du débit qu'on souhaite évacuer (Linsley, 1979, pages 240-242).

6) En se basant sur la relation entre les dommages causés et le niveau de l'eau correspondant à un débit donné d'une part, et la distribution statistique des débits de pointe d'autre part, établir, en chaque point particulièrement menacé, la distribution statistique et la moyenne annuelle des dommages auxquels on peut s'attendre avant la réalisation du projet (OMM, 1974a,page 5.70; James, 1971, pages 229-263).

7) Choisir une gamme de stockages réalisables et calculer les coûts moyens annuels correspondant à chaque solution (Chow, 1964, pages 26.13-26.25; James, 1971, pages 229-263).

8) Pour chaque solution, établir la distribution statistique des dommages modifiée par l'aménagement. Estimer l'espérance mathématique de l'économie annuelle ainsi réalisée sur les pertes dues aux crues (bénéfice du contrôle des crues) (4.4; OMM, 1974a, page 5.70; James, 1971, page 229-263).

9) Etablir une relation fonctionnelle entre le coût moyen annuel du contrôle des crues

(§ 7) et la valeur annuelle des économies qu'on espère réaliser sur les pertes (§ 8) (Chow, 1964, pages 26.23-26.25; James, 1971, pages 229-263)*.

10) Utiliser des critères économiques (analyse coût-bénéfice) et d'autres applicables au cas particulier (sociaux, écologiques, etc..) pour choisir la solution la plus recommandable. Toutes les fois que c'est nécessaire, la démarche ne doit pas être basée sur la seule relation entre les pertes et le maximum de la crue, mais prendre aussi en compte les effets provenant de sa durée et de la saison à laquelle elle se produit (James, 1971, pages 229-263).

3.2.3 Compléments pour les aménagements hydroélectriques comportant des réservoirs

1) Evaluer les demandes locales en énergie auxquelles l'aménagement doit satisfaire. Pour une distribution interconnectée, évaluer les demandes provenant du système de distribution et la demande minimale à laquelle doit faire face l'aménagement (4.8.4; Linsley, 1979, page 470; James, 1971, pages 325-349)*.

2) Déterminer 1'evaporation du réservoir en conditions normales et en conditions de sécheresse (4.10).

3) Evaluer les chroniques des apports au réservoir en vue de la simulation de

l'aménagement, à des pas de temps mensuels, décadaires ou hebdomadaires (4.8.3 et 4.3).

4) Evaluer les besoins en volume de stockage et les hauteurs du plan d'eau amont

nécessaires à la fourniture d'énergie annuelle garantie (4.8.4). 5) Evaluer la puissance installée en se basant sur l'étude de marché régional en

matière d'équipement et sur l'énergie garantie (4.8.4; Linsley, 1979, page 472; James, 1971, pages 325-349)*.

6) Evaluer l'énergie annuelle récupérable en dehors de la garantie et la puissance installée correspondante en se basant sur les résultats d'une simulation à long terme (4.8.4).

7) En se basant sur les caractéristiques d'équipement de l'usine, sur le plan de charge et sur les caractéristiques du cours d'eau, évaluer les besoins en ouvrages de compensation et/ou les effets des fluctuations de la ligne d'eau en aval (Linsley, 1979, pages 472-474; James, 1971, pages 325-349).

3.2.4 Compléments lorsque les réservoirs sont destinés à assurer une régularisation

de la distribution de l'eau dans le temps

1) Evaluer les demandes à satisfaire à partir du réservoir pour l'alimentation

en eau par exemple à des fins municipales ou à des fins d'irrigation

(généralement sur une base mensuelle, décadaire ou hebdomadaire) (Linsley, 1979,

pages 404-413; James, 1971, pages 285-324)*.

2) Evaluer 1'evaporation du réservoir dans des conditions normales et dans des

conditions de sécheresse (4.10). 3) Evaluer les chroniques des apports au réservoir, en vue de la simulation de

l'aménagement, à des pas de temps mensuels, décadaires ou hebdomadaires (4.8.3 et 4.3) 4) Evaluer les volumes de stockage nécessaires pour les demandes de fourniture (4.8).

3.2.5 Compléments pour les réservoirs à buts multiples

1) Déterminer les objectifs du réservoir et l'importance des demandescorrespondant à chacun d'eux ainsi que leur variabilité; identifier les priorités (4.9).

2) Examiner si le prélèvement doit se faire directement au réservoir ou en un point situé en aval (pour l'alimentation des turbines) (Linsley, 1979, page 678).

3) Déterminer le nombre, la dimension, la cote et la capacité de débit des différentes

* Cette étape de l'étude n'est pas traitée dans le chapitre 4 car elle ne se situe pas dans le domaine de l'ingénierie hydrologique.

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prises et de l'évacuateur (4.10 et Linsley, 1979, pages 230-242). 4) Evaluer les capacités des réservoirs et les niveaux correspondants pour

répondre aux usages multiples que l'on en attend, tels qu'on peut les déduire de simulations appliquées à l'ensemble des objectifs (4.8).

3.2.6 Compléments pour des systèmes complexes comportant des réservoirs et

d'autres dispositifs à caractère structural ou non-structural (**)

1) Estimer les crues de projets à différents degrés de sécurité pour les réservoirs, les endiguements, la rectification des cours d'eau, les dérivations, les transferts d'habitat, la protection des objectifs individuels, la délimitation des zones inondées, e t c . . (4.5).

2) Rechercher quelle combinaison de réservoirs, de digues, de canaux, de dérivations,

de transferts d'habitat, e t c . . permettra d'obtenir la solution la plus satisfaisante pour l'ensemble du bassin, suivant tous les critères pertinents hydrologiques, économiques et sociaux (Linsley, 1979, pages 665-680)*.

3.3 PARAMETRES HYDROLOGIQUES REQUIS PAR LES AMENAGEMENTS NE COMPORTANT PAS DE RESERVOIR

Les estimations hydrologiques qui suivent (considérées comme des étapes de l'étude) se rappor­tent aux types d'aménagement qui ne sont pas destinés à atténuer les crues par un effet de réservoir. Les étapes nécessaires à l'étude d'aménagements à buts multiples ne comportant pas de réservoirs s'ajoutent de la même manière que pour les aménagements qui en comportent (par exemple, un aménagement qui a pour objectifs le contrôle des crues et la qualité des eaux fera appel aux étapes décrites au 3.3.1 et au 3.3.2).

On trouvera davantage de détails sur quelques-unes des méthodes décrites ci-dessous en se reportant à James et Lee (1971).

3.3.1 Aménagements pour la protection contre les crues

1) Etablir la distribution statistique des débits de pointes en chaque point vulnérable, dans la situation antérieure à l'aménagement (4.4).

2) S'il n'y a pas de mesures de débits aux endroits prévus pour les aménagements, ou si les relevés sont insuffisants, entreprendre des études sur le plan régional en utilisant les données obtenues à des stations voisines (4.1).

3) Estimer les débits naturels au droit des réservoirs et aux points vulnérables situés en aval (4.2).

4) Estimer les crues de projet pour les ouvrages ne comportant pas de réservoirs (4.5), 5) ainsi que les revanches nécessitées par l'effet du vent et des vagues (4.6). 6) Calculer les niveaux du plan d'eau le long du canal ou de la digue et au-delà (4.7). 7) Evaluer l'effet des modifications apportées sur les débits, la qualité de l'environne­

ment, etc... (4.10) . 8) Déterminer la probabilité de défaillance pour la durée de vie des ouvrages d'aménagement

envisagés (Linsley, 1979, pages 157-158). 9J En s'appuyant sur la relation entre les débits, les niveaux et les dommages dus aux

crues et sur la répartition statistique des pointes de crues, déterminer, pour chaque point vulnérable, la distribution statistique des dommages de crue et leur valeur moyenne annuelle, dans les conditions antérieures au projet (OMM, 1974a, page 5.70; James, 1971, pages 229-262)*.

10) Choisir une série de solutions réalisables, structurales ou non, et calculer leurs prix de revient annuels (Chow, 1964, pages 26.13-26.25; James, 1971, pages 229-262)*.

11) Pour chaque solution, établir la nouvelle distribution statistique des dommages qui résulterait de son application. Estimer l'espérance mathématique de l'économie annuelle sur les pertes qu'on pourrait ainsi réaliser (bénéfices du contrôle des crues) (4.4; OMM, 1974a, page 5.70; James, 1971, pages 229-262)*.

* Demarche non décrite dans le chapitre 4; en dehors du domaine de l'ingénierie hydrologique

**

On peut trouver des informations complémentaires sur ces problèmes dans de nombreuses références (United Kations,1964, United Nations,1969, United Nations,1974; et United Nations,1978) .

38

12) Etablir une relation fonctionnelle entre le coût moyen annuel du contrôle (§10)et la valeur de l'espérance mathématique de l'économie annuelle réalisée sur les pertes (§11) (Chow, 1964, pages 26.23-26.25; James, 1971, pages 229-262)*.

13) Appliquer un critère économique (analyse coût-bénéfice) ou d'un autre type suivant le contexte du projet (social, écologique, etc..) pour choisir la solution la plus recommandable pour le contrôle des crues. Chaque fois que c'est possible, il est bon de ne pas se baser sur une valeur unique tirée de la relation entre les pertes et les débits, mais de prendre aussi en compte les effets saisonniers et ceux de la durée de la crue (Chow, 1964, pages 25.118-25.120; James, 1971, pages 229-262)*.

3.3.2 Aménagements pour la protection de la qualité de l'eau

1) Mener des enquêtes régionales pour identifier toutes les utilisations actuelles et potentielles des eaux susceptibles d'affecter ou de dépendre de la qualité de l'eau (Chow, 1964, pages 19-23). Parmi ces utilisations, celles qui présentent le plus d'intérêt concernent:

a) le domaine municipal, y compris l'évacuation des eaux d'orage,

b) l'industrie, c) l'agriculture, d) l'alimentation en eau potable,

e) la pêche commerciale,

f) les loisirs comportant un contact avec l'eau, g) les loisirs sans contact avec l'eau.

2) Pour chacune de ces utilisations actuelles ou futures, évaluer (Chow, 1964, pages

19-27; Thomann, 1972) ;

a) les exigences de qualité à la prise d'eau,

b) les différentes sortes de traitement de l'eau prélevée (données tedhniques et économiques),

c) les charges polluantes des eaux usées suivant les différentes techniques d'utilisation des eaux, et leur répartition dans le temps, ainsi que

d) les différents traitements qui peuvent être appliqués à ces eaux usées (données techniques et économiques).

3) Entreprendre des études hydrologiques pour évaluer les débits à prendre en compte dans les projets pour assurer une auto-épuration des rejets dans le réseau hydro­graphique (4.4). Ces études devraient concerner :

a) la durée des basses-eaux et périodes de prise (gel) des cours d'eau,

b) la fréquence des basses-eaux de durées données,

c) la sévérité (écarts entre les données observées et un certain débit et une certaine durée pris comme référence)*.

d) le moment où les basses-eaux se produisent au cours de l'année, et e) l'extension spatiale des phénomènes de basses-eaux.

4) Entreprendre des études sur l'auto-épuration pour des systèmes hydrographiques donnés (y compris celles de l'estimation de la dispersion et des zones de mélange) dans différents cas de figure et pour différents débits (4.10).

5) Entreprendre des études sur la gestion de la qualité des eaux, pour déterminer la meilleure façon (c'est-à-dire la plus économique) d'atteindre les objectifs de qualité dans chaque cas particulier (James, 1971, Thomann, 1972)*.

3.3.3 Projets d'irrigation

1) Déterminer les besoins des différentes cultures (Chow, 1964, page 11-32; Doorenbos, 1979; Ayers, 1977, Israelson, 1962, et Oliver, 1972).

2) Evaluer les demandes d'irrigation (quantité d'eau à fournir à 1 hectare de culture pendant la période d'irrigation pour obtenir une croissance optimale) (OMM, 1974a, page A . 7 ; Doñeen, 1971b; et Withers, 1974).

3) Sur la base de ces demandes et en tenant compte de leurs variations saisonnières, évaluer les besoins en prélèvements d'eau, les surfaces à irriguer, les rotations

_

Démarche non décrite dans le chapitre 4; en dehors du domaine de l'ingénierie hydrologique

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d'assolement et l'efficacité du futur système d'irrigation (OMM, 1974a, page A,2); Doñeen, 1971b et Zimmerman, 1966)*.

4) Sur la base des relevés de débits existants (ou de cartes d'écoulement), estimer les caractéristiques de l'écoulement à long terme qu'on utilisera pour déterminer le potentiel d'irrigation du cours d'eau (4.2 et 4.3).

5) Analyser la distribution saisonnière de l'écoulement. Identifier les valeurs critiques de l'écoulement et les saisons critiques del'année (4.3).

6) Faire l'analyse des débits de crue pour dimensionner les ouvrages de contrôle des crues, les évacuateurs d'eaux d'orage, les canaux d'évacuation des boues, les vannes de contrôle pour les crues, afin d'éviter la destruction des ouvrages d'irrigation (4.5 et Houk, 1956) .

7) Etudier les variations du niveau de l'eau afin de déterminer l'implantation, le type et la dimension des ouvrages de prise (4.3).

8) Etudier le régime des températures et des glaces qui prévaut dans la région, en vue d'établir les règles d'exploitation des ouvrages hydrauliques et d'évaluer les éventuels besoins en chauffage pour les grilles et les vannes (4.10).

9) Evaluer la teneur de l'eau en matières solides et ses variations avec le débit du cours d'eau, sa profondeur, sa largeur et sa longueur (4.10).

10) Analyser la composition chimique de l'eau d'irrigation au cours des différentes saisons (hautes eaux, basses-eaux, etc..) (Chow, 1964, page 19.1; Ayers, 1976)*.

11) Faire le bilan hydrologique de l'ensemble à partir des débits d'entrée et de sortie des eaux de surface, de 1'evaporation, du régime des eaux souterraines, de la dynamique de l'eau dans la zone aérée du sol, des conditions météorologiques, de l'état de la végétation et de son stade de croissance (4.1).

12) Estimer le volume des débits produits par l'irrigation, des débits de colature (3.3.4) et des pertes par évapotranspiration; examiner les possibilités de réutilisation de ces eaux à d'autres fins (OMM, 1974a, page A.7; Doñeen, 1971b)*.

13) Examiner l'ensemble des impacts du projet d'aménagement considéré sur l'environnement (salure du sol, saturation en eau, détérioration de la qualité de l'eau, réduction des débits des cours d'eau, etc..) (4.10).

3.3.4 Projets de drainage

1) Réaliser une étude régionale des cours d'eaux dans les zones marécageuses afin d'évaluer leur capacité d'évacuation des eaux durant les périodes de crues (4.7).

2) Faire l'inventaire des surface à drainer et prendre des dispositions pour rassembler les données hydrologiques.

3) Faire l'inventaire des bassins fluviaux dans lesquels il existe des dispositifs de drainage, de manière à réunir une information sur (Chow, 1964, pages 21-88; Luthin, 1966) :

a) une description détaillée des systèmes de drainage, b) l'utilisation actuelle des terrains drainés, c) l'état des drains et des cours d'eau, d) les caractéristiques de l'activité humaine à l'intérieur des bassins et e) la description de l'état des terrains adjacents aux systèmes de drainage, situés

dans des paysages naturels. 4) Faire des recherches sur le régime hydrologique des zones aménagées afin de mettre

au point, sur une base régionale, des méthodes d'estimation des paramètres hydrologiques concernant les systèmes de drainage, soit (4.1 et OMM, 1974a, pages 5.64-5.72):

a) débit moyen, b) débits maximaux et minimaux pendant les différentes saisons, c) ruissellement localisé.-

5) Faire des recherches sur l'influence des travaux d'aménagement sur le régime des eaux et de la température, sur les ressources en eau et la teneur en eau des secteurs aménagés et des secteurs adjacents, notamment (OMM, 1974a, page 5.88; Doñeen, 1971a; Doñeen, 1973 et Kienitz, 1979) :

* Démarche non décrite dans le chapitre 4; en dehors du domaine de l'ingénierie hydrologique

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a) les échanges hydriques à l'intérieur de la zone aérée, b) régime des niveaux de l'eau,

c) régime des écoulements,

d) evaporation,

e) infiltration des précipitations et des eaux d'irrigation en provenance des zones aménagées,

f) teneur en humidité des sols et des sous-sols,

g) mode d'utilisation de l'eau par les différents types de culture, h) qualité des eaux.

6) Mettre au point, au niveau régional, des recommandations pour une gestion orientée de l'eau, de la chaleur, de l'air et de leurs flux en direction de la zone active des échanges hydriques, et tout d'abord de la zone des racines et de toutes les parties sous-jacentes de l'aménagement (Chow, 1964, Doñeen, 1971a et Doñeen, 1973).

7) Faire des recherches sur l'influence de l'aménagement sur les régions naturelles dans différentes conditions physiographiques et climatiques, afin d'évaluer les changements qui peuvent leur être apportés ainsi qu'à la productivité biologique (Chow, 1964, pages 21-27; Doñeen, 1971a et Doñeen, 1973).

8) Organiser la collecte des données d'observations nécessaires à l'élaboration

de l'information hydrométéorologique pour les systèmes d'aménagement afin d'accoître leur efficacité et la productivité des terrains drainés (Chow, 1964, page 21-4; et OMM, 1974a, page 3.1; Doñeen, 1971a et Doñeen, 1973).

3.3.5 Aménagements pour l'approvisionnnement en eau des municipalités et de l'industrie

1) Imaginer différents scénarios pour l'évolution de la demande d'eau par l'industrie et les municipalités (Linsley, 1979, page 406; James, 1971)*.

2) Réaliser des études régionales pour localiser les sources potentielles d'alimentation en eau (eaux de surface et eaux souterraines) (4.1 et OMM, 1974a, page A.3).

3) Pour chaque source potentielle, évaluer (4.3 et 4.4) :

a) quantité et qualité des disponibilités en eau correspondant à différents niveaux de garantie de fourniture,

b) distribution dans le temps de la quantité et de la qualité des ressources en eau disponibles et

c) coût des différents schémas d'aménagement. 4) Faire des comparaisons demande-fourniture pour choisir le meilleur schéma d'approvi­

sionnement (par exemple le moins cher) (James, 1971)*.

5) Déterminer les caractéristiques à prendre en compte pour protéger les ouvrages de dérivation et de prise (par exemple : vannes de tête, pompes, réservoirs de compensation) (Linsley, 1979, pages 455-461)*.

6) Idem pour les usines de traitement des eaux, si nécessaire (Linsley, 1979, pages 429-431; Thomann, 1972]*.

7) Idem pour les sytèmes de distribution (Linsley, 1979, page 297)*. 8) Evaluation, à l'échelle du bassin, des effets de la solution proposée sur

les débits, la qualité des eaux, les transports solides, e t c . . (Chow, 1964, pp. 14-1, 17-1 et 19-1; Ortolano, 19 ) * .

3.3.6 Aménagement pour la navigation

1) Imaginer différents scénarios de répartition du transport du fret entre la navigation intérieure et d'autres moyens de transport (Linsley, 1979, page 486; James, 1971, pp. 353-372)*.

2) Déterminer les tirants d'eau et autres conditions relatives aux chenaux de navigation pour une battelerie de type donné (4.2 et 4.4).

3) Etablir les courbes profondeurs-durées dans les conditions naturelles de l'écoulement

(4.4) . Si ces conditions ne permettent pas d'assurer le transport avec une fiabilité suffisante durant toute la période annuelle de navigation, examiner les différentes manières d'intervenir sur la profondeur du chenal, par exemple en améliorant son profil, en soutenant les basses eaux par des lâchures à partir de réservoirs et/ou en canalisant le cours d'eau (Linsley, 1979, page 488; Fair and Geyer, 1968).

4) Réaliser une analyse hydrologique permettant d'indiquer, en termes de probabilité, jusqu'à quel point les différentes interventions sur la profondeur et les autres caractéristiques du chenal permettent d'améliorer la navigation (4.4).

Démarche non décrite dans le chapitre 4 , en dehors du domaine de l'ingénierie hydrologique.

41

5) Analyser les conditions de navigation en hautes eaux (tirants d'air sous les ponts, turbulence de l'écoulement, etc...). Déterminer les niveaux d'eau maximaux tolerables pour la navigation (Linsley, 1979, page .489).

6) Evaluer les effets des marées, des vents, des glaces sur les conditions de navigation (4.6 et 4.10) .

7) Examiner le régime des transports solides et évaluer les risques d'envasement des écluses (4.10) .

8) Pour les canaux (artificiels) de navigation, évaluer les besoins en débit dérivé et les débits caractéristiques, en vue de la conception des ouvrages de dérivation (4.5).

9) Evaluer les niveaux caractéristiques pour la conception des installations portuaires (Wiegel, 1964, page 442; Quinn, 1961)*.

3.3.7 Aménagement pour les loisirs et la protection de la nature (faune aquatique notamment)

1) Faire la distinction entre les aménagements orientés vers les loisirs aquatiques et les aménagements destinés à la protection de la nature (James, 1971, pages 395 et 436).

2) Choisir les zones où un de ces objectifs, ou les deux, peuvent être envisagés

(James, 1971, pages 396 et 423).

3) Faire une étude générale, géographique, hydrologique et écologique, pour les zones considérées (Nations-Unies, 1964, page 4; Chow, 1964, pp; 26-4 et 26-13).

4) Faire l'inventaire des demandes potentielles en loisirs dans ces zones (James, 1971,

page 398; Clawson, 1966)*.

5) Evaluer les conséquences d'une utilisation intensive pour les loisirs; examiner les

restrictions qu'on peut être amené à prendre contre un usage excessif (4.10 et

James, 1971, page 400)*.

6) Choisir les emplacements pour loisirs en commun et pour loisirs individuels; partager la place disponible entre les différents types d'activités de loisirs (James, 1971, page 398; Clawson, 1966)*.

7) En ce qui concerne la protection de la nature, préparer des mesures contre une trop

grande accessibilité et contre une utilisation inappropriée du terrain (Nations Unies,

1970, page 72; Clawson, 1966)*.

3.4 PARAMETRES HYDROLOGIQUES REQUIS POUR LA PLANIFICATION A LONG TERME DES BASSINS FLUVIAUX POUR UN AMENAGEMENT INTEGRE DES RESSOURCES EN EAU

Le développement intégré d'un bassin fluvial implique de multiples études sur l'environnement physique et socio-économique de l'homme. Ce paragraphe concerne principalement les études hydrologiques dont on a besoin pour mettre au point un plan d'aménagement-intégré des ressources en eau à l'échelle d'un bassin fluvial. Bien que ces études soient d'une importance fondamen­tale pour la préparation d'un tel plan, la réussite essentielle de l'effort de planification dépend d'une analyse critique de tous les autres moyens destinés à promouvoir le bien-être social et la croissance économique dans le cadre du bassin. L'aménagement-des ressources en eau ne doit pas être considéré comme une fin en soi, mais plutôt comme une contribution au progrès général, tel que l'envisagent les autorités locales et le gouvernement du pays.

Il existe à peu près autant de démarches pour l'étude de l'aménagement intégré d'un bassin, qu'on a étudié de projets. Les enumerations qui suivent, adoptées par les Nations Unies (1970), sont tout d'abord destinées à servir d'exemple, et constituent également une sorte de"checklist" des principales étapes généralement mises en oeuvre lors des études hydrologiques pour une planification à l'échelle du bassin de l'aménagement intégré des ressources en eau.

1) Estimer la qualité (relative au projet) des données disponibles en météorologie

(précipitations, evaporation, évapotranspiration, température de l'air...) et en hydrologie (chroniques de débits observés, hydrogrammes de crues, caractéristiques des recharges des aquifères, données sur la qualité et sur les transports solides)

(4.1 et 4.10).

2) Choisir des points de contrôle sur le réseau hydrographique, en tenant compte de la position des stations de jaugeage, des principaux utilisateurs, des ouvrages hydrauli­ques déjà réalisés ou envisagés. Localiser les sources d'alimentation en eaux souterraines (Nations-Unies, 1964, page 3).

3) Définir les données complémentaires dont on aura besoin, compte tenu du but des études et les méthodes qu'on devra mettre en oeuvre lors de la poursuite de l'analyse de

1'aménagement (bilans hydrologiques classiques, simulation, optimisation, etc...). (Nations Unies, 1970, page 47).

* — — ——, _ _ . Démarche non décrite dans le chapitre 4; en dehors du domaine de l'ingénierie hydrologique

42

4) Regrouper en un schéma coordonné les méthodes, normes et plans d'exécution pour l'ac­quisition des données complémentaires (extension des séries de débits observés, mise en oeuvre de modèles pluie-débit, analyse régionale, etc...) (4.1 et 4.2).

5) Prendre toute disposition pour l'acquisition des données complémentaires (Nations Unies, 1970, page 47; Fair et Geyer, 1968) .

6) Procéder à l'analyse des données et à leur mise en forme (Nations Unies , 1970; Fair et Geyer, 1968) pour l'étude :

de l'approvisionnement en eau dans les secteurs municipaux, industriels et agricoles, du contrôle des crues, du contrôle de la qualité des eaux, de la production d'énergie hydroélectrique, de la navigation intérieure, de l'utilisation de l'eau pour les loisirs, et de la protection de la nature.

Evaluer les variations de l'écoulement annuel et les caractéristiques de la distribution saisonnière de l'écoulement (4.3). Evaluer ce qu'on peut tirer sans inconvénient des nappes souterraines (Linsley, 1979, page 101; Bouver, 1978). Evaluer les débits minimaux à maintenir dans les différents ouvrages, notamment à l'aval des aménagements (débits réservés pour des raisons esthétiques, touristiques, sanitaires, biologiques) (Chow, 1964, pages 19 - 27; Linsley, 1975) . Evaluer les ressources en eau disponibles et étudier les différents réservoirs d'écrête-ment possibles (Nations Unies, 1964, page 3; Krickij, 1952; Linsley, 1979; et Linsley, 1975). Evaluer les caractéristiques des crues aux sites choisis (par exemple: distribution statistique des débits de pointe en régime naturel et en écoulement régularisé, débits des crues de projet, propagation dans les chenaux) (4.2, 4.4 et 4.5). Etudier les différentes possibilités de contrôle des crues (par exemple: stockage, mesures destinées à retarder l'écoulement, endiguement, digues de protection, améliora­tion des lits des cours d'eau, dérivation des crues) (Linsley, 1979, page 641; Klemes, 1973, page 93; Nations Unies, 1964, page 14; Nations Unies, 1976). Evaluer les caractéristiques des basses eaux aux sites choisis (par exemple: distribu­tion statistiques des étiages en régime naturel et en écoulement régularisé, basses eaux pour les projets) (4.4). Etudier les différentes possibilités de contrôle de la qualité des eaux (par exemple, renforcement des basses eaux) (Chow, 1964, pages 18 - 22; Eckenfelder, 1970). Evaluer les caractéristiques hydrologiques nécessaires aux études de production hydro­électrique (Chow, 1964, page 26-6; OMM, 1974b, page 7; Linsley, 1979, page 467; Creager, 1958) . Etudier les différentes possibilités de production hydroélectrique (Linsley, 1979, page 467, Chow, 1964, page 26-4; Creager, 1958)*. Evaluer les caractéristiques hydrologiques nécessaires pour les études de navigation intérieure (par exemple: profondeur, largeur, vitesse du courant) (Chow, 1964, page 6-2; OMM, 1974a, page 11,-35; Stratton, 1969). Etudier les différentes possibilités d'aménagement pour la navigation (Chow, 1964, page 26-2; Linsley, 1979, page 677; Stratton, 1969)*. Estimer les caractéristiques hydrologiques pour les études relatives aux loisirs (par exemple: profondeurs, surface des plans d'eau, qualité de l'eau) (James, 1971, page 408; Chow, 1964, page 26-2; Linsley, 1979, page 677; Clawson, 1966). Etudier les différentes possibilités d'utilisation des eaux pour les loisirs (James, 1971, page 408; Chow, 1964, page 26-2; Linsley, 1979, page 677; Clawson, 1966)*. Evaluer les caractéristiques hydrologiques pour les études concernant la pêche et la vie aquatique (par exemple, température et qualité de l'eau) (James, 1971, page 423; Linsley, 1979, page 241; Chow, 1964, page 26-2). Etudier les différentes possibilités d'amé1."oration du milieu pour la pêche et la vie aquatique (Chow, 1964; page 26-2; James, 1971, page 423; Linsley, 1979, page 241)*. Etudier les différentes dispositions institutionnelles actuelles ou qui pourraient être prises pour la gestion des ressources en eau (Klemes, 1973, page 1; Linsley, 1979, page 660; Nations Unies, 1970, page 33; Nations Unies, 1969, page 100; L'Environne­ment au Canada, 1975)*.

* Démarche non décrite dans le chapitre 4; en dehors du domaine de l'ingénierie hydrologique.

43

24) Evaluer toutes les solutions possibles et mettre au point un plan à long terme complet pour l'aménagement intégré des ressources en eau dans le bassin sans oublier l'évalua­tion de l'impact des projets sur l'environnement et le régime hydrologique (4.10)*.

* Démarche non décrite dans le chapitre 4; en dehors du domaine de l'ingénierie hydrologique

44

Tableau 3.1 OBJECTIFS DES PROJECTS, THEMES AUXQUELS ILS SE RAPPORTENT ET DISPOSITIFS STRUCTURAUX CORRESPONDANTS (1)

THEME OBJECTIFS DISPOSITIFS STRUCTURAUX

Contrôle des crues Prévention ou réduction des dommages causés par les crues, protection des vies humaines et du développement économique

Barrages, réservoirs, endiguements, murs de protection, amélioration des chenaux, déchargeurs, stations de pompage, systèmes d'alerte, dériva­tions et autres dispositifs per­mettant de retarder l'écoulement

Production hydro­électrique

Fourniture d'électricité pour le développement économique et l'élévation du niveau de vie

Barrages, réservoirs d'accumulation, usines hydroélectriques

Approvisionnement municipal et industriel

Fourniture d'eau pour les usages municipaux et industriels

Barrages, réservoirs, puits, con­duites, usines de pompage, prises d'eau, usines de traitement des eaux, désalinisation de l'eau, réseaux de distribution

Irrigation Accroissement et régularisation de la production agricole

Barrages, réservoirs, puits, canaux, stations de pompage, contrôle de 1'enherbement et dessableurs,réseaux de distribution

Drainage Accroissement et régularisation de la production agricole, aménagement urbain, protection de la santé publique

Digues,drains en terre cuite, stations de pompage, collecteurs

Navigation Transport des marchandises et des passagers

Barrages, réservoirs, canaux, écluses, améliorations du lit, travaux portuaires

Contrôle de la qualité de l'eau

Protection ou amélioration de l'approvisionnement en eau pour des usages municipaux, industriels et agricoles,protection de la pêche, et de la vie aquatique, développe­ment de la pêche commerciale

Installations de traitement des eaux, réservoirs pour le soutien des basses eaux, réseaux de drainage des eaux usées

Loisirs Mise en valeur des possibilités de loisirs et de sport

Réservoirs, installations pour les loisirs, ouvrages pour le contrôle de la pollution

Amélioration des conditions d'exis­tence des poissons et de la faune aquatique

Améliorations du gîte des poissons et de la faune aquatique, réduction ou prévention des pertes en poissons et en faune aquatique, conséquences des activités humaines, dispositions pour l'expansion de la pêche commer­ciale .

Aleviniers, échelles et grilles à poissons, réservoirs, ouvrages pour le contrôle de la pollution

Contrôle du transport solide

Réduction et contrôle de la charge en suspension dans les cours d'eau et protection des réservoirs

Dessableurs, travaux en rivière et revêtement, stabilisation des rives, construction de barrages spéciaux

(1) Version originale tirée du Manuel d'hydrologie appliquée ("Handbook of Applied Hydrology") de Ven Te Chow, Me Graw-Hill, 1964, pp. 26.2 - 26.3.

45

(A commander à

References d'après le

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46

(A

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B-

B-

A-

A-

-39

-5

-10

-10 the development of water resources.Operational Hydrology Report No. 5. (WMO-No. 419). Geneva.

Zimmerman, J. D. 1966. Irrigation. New York, Wiley. B-65

(1) Epuisé; on peut trouver des exemplaires en bibliothèques (2) Disponible au coût approximatif de $520 US dollars plus 5% de frais d'envoi

4. Méthodes disponibles en hydrologie pour l'aménagement des eaux

4.1 METHODES D'ANALYSE REGIONALE DES DONNES HYDROLOGIQUES ET METEOROLOGIQUES

4.1.1 Introduction

Dans la section 2.1,on a donné de brèves descriptions des méthodes d'analyse des donnés hydrolo­giques et météorologiques. Un paramètre statistique calculé pour une variable donnée, par exemple le débit moyen interannuel, n'a de sens qu'en un point donné. L'analyse régionale permet de transférer l'information en des points auxquels on ne dispose d'aucune observation ou d'observations insuffisantes. Parmi les information susceptibles d'être régionalisées, on peut citer: la précipitation moyenne annuelle, les relations intensité-durée-fréquence concernant les précipitations, les caractéristiques de 1'hydrogramme unitaire, l'écoulement annuel, les distributions statistiques des événements extrêmes concernant l'écoulement, etc..

4.1.2 Homogénéité des données

Avant de consacrer un effort considérable à la _régionalisation, il est souhaitable de contrôler l'homogénéité dans le temps et dans l'espace des données à traiter. L'homogénéité dans le temps (ou stationnarité) est contrôlée afin de détecter dans des séries temporelles de donnés d'éventuelles tendances ou variations brusques. La valeur moyenne d'une variable peut avoir tendance à croître ou à décroître par suite de l'existence d'un cycle climatique de longue période,de l'utilisation des sols ou d'autres sortes de changements (voir AIHS/OMM, 1974). De tels changements peuvent se produire naturellement ou être dus à l'action de l'homme. La mé­thode de la moyenne mobile peut être utilisée pour mettre en évidence l'existence des tendances (voir Chow, 1964, pages 8-81 et 8-82). Des changements brusques dans la réaction d'un bassin ou des modification de méthode, d'emplacement ou d'appareillage dans l'acquisition des relevés peuvent souvent être détectés par la méthode_desi doubles cumuls (OMM, 1974, page 5.3; Chow,1964, pages 9-26 à 9.27 et UNESCO/OMM, 1977T^agë 31). Les défauts d'homogénéité ainsi mis en évi­dence devraient être confirmés par une recherche historique avant d'être acceptés comme tels.

Le contrôle de l'homogénéité spatiale permet de déterminer si la variabilité dans l'espace de la variable considérée est significative et peut être imputée à des différences physiogra-phiques et climatiques au sein de la région sur laquelle porte l'analyse. Un test d'homogénéité a été mis au point pour la loi de distribution des valeurs extrêmes type 1 (Chow, 1964, page 8-37). Ce test permet de séparer les ensembles de données en catégories représentatives de zones homo­gènes du point de vue de l'hydrologie et de la météorologie. L'analyste devrait aussi avoir connaissance des différents facteurs physiographiques qui peuvent avoir une influence sur la grandeur d'une variable. C'est ainsi que les chaînes de montagne provoquent des variations brutales dans la distribution spatiale des précipitations et que les différents coefficients de perméabilité des sols peuvent avoir une influence sur les coefficients d'écoulement. Une zone considérée comme homogène devrait comporter un nombre suffisant de stations pour qu'on puisse établir des relations significatives au niveau régional (OMM, 1972, Section III-3.3). De nombreuses méthodes fréquemment employées pour l'étude de l'homogénéité temporelle et spatiale sont décrites par Yevjevich (1972a), ainsi que les méthodes statistiques utilisées en hydrologie.

Les données, aussi bien hydrologiques que météorologiques, sont généralement corrélées dans le temps et dans l'espace. Cette corrélation permet de réduire l'intervalle de confiance„associé au critère d'homogénéité et n'est pas prise en compte dans les distributions théoriques des erreurs d'échantillonnage. Inversement, l'existence d'une autocorrélation (par exemple pour les débits des cours d'eau) augmente l'intervalle de confiance associé au critère d'homogénéité (Roshdestvensky, 1974, pages 184-226 et Yevjevich, 1972b, pages 246-247) .

49

4.1.3 Paramètres statistiques

Quand on peut disposer de longues séries d'observations hydrométéorologiques, il est possible de leur appliquer les méthodes habituelles de l'analyse statistique basées sur l'utilisation de fonctions de distribution. Les fonctions de distribution les plus répandues comprennent: la distribution de Pearson III (loi binômiale continue), la distribution Gamma à trois paramètres de S.N.Kritsky et M.F. Menkel, la distribution log-normale, la distribution de Gumbel, la dis­tribution exponentielle, la famille des distributions de Johnson, et autres (Sokolov, 1976, chapitre 2 et Klemes, 1973, pages 13-20). Les paramètres des distributions (par exemple la moyenne, l'écart-type, le coefficient de variation) sont estimés à partir des données observées (Karteshivili, 1967) et peuvent faire l'objet d'une étude régionale (HEC*, 1972, chapitre 4; Rozhdestvensky, 1974, pages 21-147; Gidrometeoizdat, 1972, pages 4-8; et Gidrometeoizdat,1973, pages 9-16 et 29-32) .

Commes les données météorologiques sont souvent plutôt limitées, les valeurs des paramètres des distributions choisies calculées à partir des échantillons ont la réputation d'être en­tachées d'erreurs aléatoires dont on devrait tenir compte dans les représentations carto­graphiques de ces paramètres et lors des calculs par régressions multiples qui permettraient leur évaluation dans un cadre régional (Rozhdestvensky, 1977, pages 83-137; et Heras, 1972).

4.1.4 Cartographie hydrométéorologique

On dresse souvent des cartes des diverses variables hydrométéorologiques parce qu'une grande quantité d'informations peut être représentée de cette manière. Par ailleurs, de telles rep­résentations peuvent être facilement comprises d'un public non spécialisé. On trouvera dans UNESCO/OMM (1977) de nombreux exemples de représentations des caractéristiques atmosphériques, ou concernant les eaux de surface et les eaux souterraines.

La préoccupation de l'hydrologie devrait être de bien définir l'objectif initial de la carte et l'utilisation à laquelle on la destine, puis de la réaliser de manière à ce qu'elle illustre clairement l'information souhaitée. Si on met au point des cartes représentant plusieurs variables dans la même zone, les caractéristiques de ces variables devraient être estimées sur la même période d'observation, de manière à faciliter les comparaisons. La carto­graphie des caractéristiques hydrologiques et des paramètres concernant les données hydrométéo­rologiques exige qu'on tienne compte de la topographie, des structures du sous-sol et de la nature de phénomènes atmosphériques. En plus des facteurs régionaux, il existe des facteurs locaux, tels que les dépressions sans exutoire, la densité du réseau de drainage, la pente du bassin, sa surface, les phénomènes karstiques, lés caractéristiques intrinsèques de la carto­graphie. L'effet des facteurs locaux sur les caractéristiques de l'écoulement a tendance à s'estomper lorsque la surface du bassin augmente. Lorsque le bassin atteint une certaine taille les variations des caractéristiques de l'écoulement avec la surface tendent à refléter princi­palement l'influence régionale et ne dépendent plus qu'accessoirement des facteurs locaux. En comparaison des caractéristiques hydrologiques et des paramètres qui leur sont associés, les éléments météorologiques dépendent en général beaucoup moins des facteurs régionaux concernant les caractéristiques de la surface et du sous-sol (Rozhdestvensky, 1977) .

La représentation sous forme d*_isoplèthes de données hydrologiques ou météorologiques, ou de paramètres statistiques relatifs a ces données, est très répandue. Bien que la mise au point de ces isoplèthes paraisse simple, il convient d'y apporter beaucoup de soin, particulièrement lorsque la densité des points d'observation est faible et/ou lorsqu'il y a d'importantes varia­tions dans les conditions géologiques ou climatiques. Lors de la mise au point des cartes d'isoplèthes, le degré de lissage devrait être en rapport avec les erreurs d'échantillonnage relatives aux stations d'observations. Un lissage insuffisant pourrait faire croire à une anomalie régionale, alors que la cause réelle des écarts pourrait venir d'une variation d'échan­tillonnage (OMM, 1974, pages 5.5 et 5.34; et UNESCO/OMM, 1977, pages 198-199).

La technique de la grille orthogonale peut fournir un moyen de stocker, de traiter et d'ex­traire l'information par ordinateur. Elle consiste à diviser la surface en carrés égaux; la dimension de ces mailles varie en général de 1 à 10 km. On peut alors élaborer un fichier dans lequel les différentes caractéristiques sont enregistrées pour chacune des mailles. On a utili­sé cette technique pour les précipitations, les températures, l'écoulement et les caractéris­tiques du bassin (OMM, 1972, section III-2.1).

4.1.5 Analyse basée sur les régressions

Il est souvent possible d'établir des relations mettant en jeu des facteurs climatiques et des

* L'abréviation est souvent utilisée pour faire référence aux publications du "Hydrologie Engineering Center" du U.S. Army Corps of Engineers.

50

caractéristiques des bassins versants pour déterminer les paramètres hydrologiques dont on a besoin. La confiance qu'on peut accorder à ces relations se mesure à la précision de l'ajuste­ment (en général, par l'erreur standard de l'estimation). Les corrélations étant très souvent multiples, leur représentation graphique est plutôt compliquée. C'est pourquoi on utilise géné­ralement, pour rendre compte des relations entre les paramètres hydrologiques et leurs facteurs conditionnels, 1 'analyse par régressions multiples linéaires (Chow, 1964, section 8-II,- HEC , 1972, chapitre 4; et RozhSestvelisky", 1974, pages 318-327) . Lorsque les relations ne sont pas linéaires, il est en général possible de les linéariser en utilisant une transformation approp­riée des variables indépendantes: une transformation logarithmique est souvent suffisante.

Les relations basées sur l'utilisation d'une régression linéaire multiple peut servir à étendre des chroniques hydrologiques de courte durée à des chroniques de longue durée pour l'interpolation dans l'espace des caractéristiques hydrologiques, pour l'estimation des para­mètres statistiques du débit des rivières, et pour établir des relations entre l'écoulement et ses facteurs conditionnels (Rozhdestvensky, 1974, pages 338-347; OMM, 1974, pages 5.53-5.55).

Une difficulté qui se présente dans l'utilisation des régressions linéaires niultiples rési­de dans l'évaluation de la stabilité des équations qui en "dllcoüTeñt et dans la confiance qu'on peut accorder aux coefficients de régression. L'expérience montre que l'introduction d'un grand nombre de ce qu'on appelle les variables indépendantes conduit, en règle général, à une insta­bilité de l'estimation des coefficients. Dans la majorité des caá, le nombre de ces variables indépendantes ne devrait pas excéder trois ou quatre: au-delà il faut s'attendre à une insta­bilité dans les calculs statistiques qui se traduit par des erreurs importantes dans l'estima­tion des coefficients de régression. Le choix et la mise en oeuvre des équations de régression linéaire multiples doivent faire l'objet d'un soin extrême. Les variables indépendantes retenues devraient avoir des relations physiques reconnues avec les variables dépendantes. On devrait également pouvoir se procurer aisément des données sur les variables indépendantes ailleurs que dans la zone utilisée pour l'établissement des régressions. Les signes des coefficients de régression devraient aller dans le sens du phénomène: par exemple, une augmentation des précipitations devrait entraîner une augmention du débit. Quand les variables indépendantes prises en compte sont fortement corrélées, le fait d'en faire varier une ne donne pas grande signification à la modification de la variable dépendante qu'on peut ainsi obtenir. De plus, les résultats qu'on obtient ne peuvent guère être extrapolés en dehors du champ de variations des données utilisées pour l'établissement des régressions. Il est prudent de rechercher par l'application d'autres méthodes, ou en utilisant d'autres données, une confirmation des résul­tats obtenus.

Les calculs numériques nécessaires à la mise en oeuvre des régressions multiples sont en général faits sur ordinateur. De nombreux programmes permettent de choisir automatiquement les variables indépendantes les plus significatives par un procédé d'essais successifs qui consiste à introduire, puis à retirer chaque variable tour à tour, en appréciant à chaque fois, d'après un certain critère, l'apport de ladite variable à la vraisemblance de la relation (stepwise). Les techniques de l'analyse par régression sont exposées dans Chow, 1964, section 8-II; et HEC,1972, chapitre 4.

4.1.6 Coefficients d'écoulement

Les bilans d'écoulement, exprimés par des coefficients, peuvent faire l'objet d'une régionalisa­tion dans la zone étudiée. Le choix de l'intervalle de temps sur lequel on calculera les moyen­nes des éléments du bilan hydrologique et de la finesse de l'interpolation dans l'espace dépend de la quantité d'information hydrométéorologique disponsible dans la zone étudiée,ainsi que de la confiance qu'on peut avoir dans les méthodes d'estimation du bilan hydrologique en présence de données insuffisantes, et de la précision de ces méthodes. Une difficulté majeure pour l'établissement et la résolution des équations du bilan réside dans l'estimation de la précision des composantes individuelles du bilan considéré dans son ensemble. Sans cette estimation, les résultats obtenus par cette méthode n'ont pas une grande valeur (UNESCO/OMM,1977, page 35; Sokolov, 1974).

4.1.7 Application aux sites pour lesquels on dispose de données hydrométriques insuffisantes

Les relevés à certaines stations peuvent porter sur une très courte durée et comporter par conséquent une grande erreur d'échantillonnage vis à vis du temps. On peut établir des corréla­tions entre les stations longue-durée et stations courte-durée, de manière à améliorer la pré­cision des estimations hydrologiques à ces dernières stations. Si les lacunes sont peu nom­breuses, les valeurs manquantes peuvent être estimées par régression linéaire, mais si elles sont nombreuses, cette méthode entraînera une sous-estimations des variances des caractéristiques

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hydrologiques a u x stations de courte-durée. Il existe des méthodes permettant d'améliorer l'estimation à la fois des moyennes et des variances (OMM, 1974, pages 5.53-5.55). Il faut que les corrélations atteignent des valeurs suffisantes pour que l'opération ait un sens.

La caractéristique calculée à une station de courte durée peut être corrigée par les résul­tats d'une étude régionale. L'application de cette méthode demande qu'on estime la valeur de l'information régionale en termes de durée équivalente d'observation pu par l'inverse de l'erreur sur la variance. La valeur corrigée de la caractéristique est alors calculée en pondérant chaque valeur de la caractéristique (régionale ou correspondant à la station de court-durée) par la longueur de la période d'observation correspondante ou par l'inverse de l'erreur sur la variance.

52

Références (A commander à

d'après le tableau 1.2)

Chow, Ven Te. (éd.) 1964. Handbook of applied hydrology. New York, McGraw-Hill. B-27

Gidrometeoizdat. 1972. Ukazania po opredelenlu raschetnykh gidrologicheskikh B-68 kharakterlstlk SN 435-72 (Instructions for determining design hydrological characteristics SN 435-72). (in Russian). Leningrad, Gidrometeoizdat. 18 p.

1973. Rukovodstvo po opredelenlu raschetnyk hgidrologicheskikh B-68 kharakteristik (Guide for determining design hydrological characteristics), (in Russian). Leningrad, Gidrometeoizdat. Ill p.

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Rozhdestvensky, A. V. 1977. Otsenka tochnostl krivykh raspredelenia B-68 gidrologicheskikh kharaskteristik (Accuracy assessment of distribution curves of hydrological characteristics). (in Russian). Leningrad, Gidrometeoizdat. 272 p.

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WMO. 1972. Casebook on hydrological network design practice. (WMO No. 324.) A-10 (2) Geneva.

*Référence de 1er ordre en langue anglaise. (1) Epuisé, nouvelle édition prévue pour 1982 (coût approximatif: $100) (2) Epuisé oct. 1980 (réimpression possible), voir les bibliothèques (3) Epuisé; peut être disponible en bibliothèque

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À commander à d'après le tableau 1. 2)

* . 1974. Guide to hydrologlcal practices. 3d éd. (WMO No. 168.) A-10 Geneva.

Yevjevlch, V. 1972a. Probability and statistics in hydrology. Colorado, Water B-62 Resources Publications.

. 1972b. Stochastic processes in hydrology. Colorado, Water B-62 Resources Publications.

54

4.2 DETERMINATION DES ECOULEMENTS NATURELS

4.2.1 Introduction

Le terme "écoulement naturel" a plusieurs acceptions. Dans le sens strict de l'alimentation en eau ou de la production d'un bassin versant, il peut se rapporter au volume s'écoulant jour­nellement, mensuellement ou annuellement en un point d'observation donné, dans l'hypothèse que toutes les surfaces qui contribuent à l'écoulement n'aient subi aucune altération, notamment de la part de l'homme, par rapport à leur état dit initial, supposé naturel. Comme cette condition est rarement remplie, on peut le définir plus largement comme l'écoulement observé corrigé des prélèvements effectués pour la consommation des communautés urbaines, des industries ou de l'agri­culture, et des transferts éventuels en dehors du bassin. Cette seconde définition corres­pond mieux aux besoins pratiques et c'est généralement ainsi qu'on l'entend lorsqu'on discute d'ali­mentation en eau, de droits d'eau et des problèmes qui leur sont associés. Une troisième utilisation de l'expression "écoulement naturel", qu'on retrouve souvent dans les problèmes de contrôle des crues, se rapporte à la situation d'"avant l'aménagement" et désigne l'écoulement qui se serait produit, pour une même averse, si on n'avait pas construit de réservoir, de digue, de canaux ou si on n'avait pas empiété sur les plaines d'inondation. Les exposés qu'on pourra lire dans ce sous-chapitre esquisseront les techniques et autres considérations relatives à la seconde et à la troisème définition.

4.2.2 Inventaire des données

Avant d'entreprendre une quelconque étude des apports pour l'approvisionnement en eau, on doit procéder à un inventaire pour déterminer la nature et l'importance de l'utilisation actuelle de l'eau, ainsi que sa distribution, aussi bien à l'amont qu'aval des sites d'aménagements proposés (Chow, 1964, section 26; Linsley, 1972, chapitre 21; Linsley, 1975, chapitre 4; Bureau de Reclamation, 1977, chapitre 1, section 10; OMM, 1958, section 5; HEC, 1977, chapitre 3; et Grushevsky, 1969). Les sources de données pourraient comprendre des annuaires publiés par des administrations d'état ou loc'ales et par des organismes gestionnaires, aussi bien que les données non publiées rassemblées par les organismes chargés de la réalisation du projet. Le point où on a précisément besoin de données ne correspond souvent pas à une station de mesure. Ce qui oblige à faire appel à des études de corrélation entre l'écoulement et des paramètres physiographiques (tels que forme,taille, altitude, longueur et pente du bassin) et climatiques Ctels que tempéra­ture, pluviométrie et chutes de neige). Les méthodes qui mettent en jeu les régressions sont exposées dans le sous-chapitre 4.1.

Il est souvent nécessaire de compléter les données manquantes en utilisant des corrélations et des méthodes stochastiques (HEC, 1972, chapitre 5; OMM, 1974, page 5.5; Gidrometeoizdat, 1973, pages 338-340) afin de mettre au point, en vue de l'analyse, une période de base commune qui soit aussi bien représentative de la distribution des valeurs extrêmes, hautes ou basses,que des moyennes à long terme. Il faut ensuite estimer les prélèvements et les apports artificiels, les variations du stockage dans les lacs et 1'evaporation à partir des lacs, avant de pouvoir faire le bilan hydrologique de l'ensemble ou effectuer séquentiellement les bilans lors d'une simulation. Dans certains pays, l'utilisation actuelle de l'eau ne peut être restreinte sans le consentement du propriétaire concerné ni sans lui avoir consenti un dédommagement financier. En maints endroits dans le monde il existe des lois sur les eaux, souvent très compliquées, qui régissent l'utilisation des ressources en eau de surface (Chow, 1964, section 27; Linsley,1972, chapitre 6). Dans quelques cas, la réglementation déborde dans le domaine des interrelations entre les eaux de surface et les eaux souterraines. Il n'est pas dans l'objet de cet exposé d'envisager les nombreux aspects de la complexité de ces lois, mais simplement d'insister sur le fait que les hydrologues doivent avoir connaissance des dispositions légales concernant les

xresponsabilités encourues lorsqu'on modifie le régime des débits dans des systèmes hydrographiques,. Dans toute évaluation économique des bénéfices ou des dommages résultant d'un aménagement struc­tural! une base de référence qu'on appelle "écoulement naturel" ou "écoulement avant aménagement" doit être clairement défini. On doit faire la preuve qu'un bénéfice attendu des lâchures à par­tir d'un réservoir constitue réellement un résultat qu'on ne saurait obtenir sans l'aménagement. De même, si les lâchures sont réduites durant les périodes de crues (c'est-à-dire pendant les périodes d'accroissement de la réserve) on doit établir de façon évidente l'importance des bénéfices qu'on en retire (Nezhikhovsky, 1971; Grushevsky, 1969; et Zheleznyak, 1965).

4.2.3 Relations pluies-débits

En certains points du globe,on dispose d'une quantité très limitée de données observées sur l'écoulement, alors que l'information pluviométrique est plus importante. A partir des données disponibles sur les précipitations, on peut procéder à une extension régionale des pluies men­suelles et annuelles et présenter les résultats sur des cartes pluviométriques. En établissant des corrélations entre les précipitations mensuelles et annuelles, et les données disponsibles

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sur l'écoulement, on peut souvent obtenir une meilleure estimation des débits qu'en se basant sur les seuls débits observés (OMM, 1974, chapitres 5.3 et 5.5). Il existe généralement quelque corrélation entre les valeurs successives des débits moyens mensuels (autocorrélation) dont on peut tenir compte dans l'estimation des débits à partir de la pluie. De même, la couverture de neige et la température de l'air sont des facteurs conditionnels typiques qu'on introduit dans l'estimation des débits (OMM, 1974, chapitre 6.4). On parle plus en détail des modèles précipi­tation-débits dans le chapitre 4.5 et dans une annexe à ce chapitre.

4.2.4 Passage dans un réservoir

Dans les projets qui concernent l'alimentation en eau,les loisirs, la production hydroélectrique et qui comportent des réservoirs, on doit simuler le comportement de ces réservoirs en établis­sant leur bilan à chaque pas de temps pour les périodes critiques de basses-eaux des échantil­lons historiques de débits, afin d'évaluer les résultats que.peut donner l'application d'un ensemble de règles d'exploitation, ou de reconstituer les débits qu'on aurait pu observer avant des aménagements existants (Linsley, 1972, chapitre 7; HEC, 1975, chapitre 6; Klemes, 1973, chapitre 3; et Héras, 1976, pages 51-70). En de nombreux pays, un grand nombre de programmes de calcul (tels que HEC-3 (HEC, 1977) et HEG-5 (HEc,1979) aux Etats-Unis) ont été mis au point par différents groupes privés ou gouvernementaux pour analyser la fourniture que peut assumer un aménagement avec un ensemble de règles d'exploitation données pour des demandes données. Quelques-uns de ces modèles peuvent effectuer une analyse économique, traiter l'utilisation à buts multiples et tenir compte de l'existence de plusieurs réservoirs. Ces modèles fonction­nent souvent en pas de temps mensuel, mais lorsqu'il s'agit de production hydroélectrique, on peut être amené à descendre à la semaine ou à la journée pour traiter les périodes critiques de basses-eaux. La simulation peut porter sur une période totale de, disons, 2 à 20 années de basses-eaux sévères, ou sur l'ensemble de la période observée ou correspondant à un échantillon synthétique. Dans tous les cas, il faut bien entendu qu'on trouve un bénéfice par rapport à la situation naturelle ou du moins avant aménagement (Shiklomanov, 1977, pages 7-82 et 264-285).

4.2.5 Propagation dans le réseau hydrographique

Dans le cas particulier d'aménagement pour le contrôle- des crues, les hauteurs ou débits de pointe, ou un ensemble d'hydrogrammes ou de limnigrammes observés ou synthétisés servent souvent de base, plutôt que des moyennes mensuelles ou annuelles, pour apprécier les avantages ou les dommages qui en découlent. Les raisons en sont évidentes, les dommages d'une crue étant en général directement proportionnels au niveau atteint. La période de l'année dans laquelle se produit l'inondation et la durée de celle-ci sont.parfois également pris en compte dans les facteurs affectant l'étendue des dommages ou les bénéfices qu'on peut tirer de leur réduction à la suite des mesures adoptées. Les méthodes utilisées pour évaluer, après réalisation de l'aménagement, les pointes de crues en conditions de "pré-projet", ou conditions naturelles,aux points menacés situés à l'aval, vont de la simple prise en considération d'un délai de propaga­tion des débits moyens évalués sur de courts intervalles de temps à une analyse basée sur les équations de l'écoulement en régime non permanent mono ou bidimensionnel. Lorsqu'il y a un réservoir, on calcule pour chaque pas de temps la différence entre le volume entrant et le volu­me sortant (variation du stockage), ou on l'estime àpartir de relevés effectifs de débits ou à partir de débits sortants et de variations du stockage connus (Kuchment, 1972) . Quand on peut raisonnablement appliquer des méthodes de propagation linéaire telles que celle de Muskingum (Linsley, 1975, paragraphe 9-8) ou c-elle de Kalinin et Miljukov (OMM, 1974, page 5.63), ces variations du stockage (exprimées en unités de débit) peuvent être transférées aux sites aval susceptibles de subir des dommages, ou aux points servant de repères pour les systèmes de prévision, et ajoutées aux débits observés ou estimés en tenant compte d'un décalage de temps convenable, afin de déterminer le débit maximal, dit "naturel", qui se serait produit dans les conditions d'avant l'aménagement (voir Chow, 1974, section 25-11; Linsley, 1975, chapitre 9, OMM, 1974, pages 5.61-5.64; et HEC, 1979). Le débit de pointe peut alors être transformé en hauteur à l'échelle ou en niveau, puis en dommage subi afin de comparer les dommages causés dans les deux conditions. Après avoir de cette façon analysé un certain nombre d'événements de cette sorte, observés et/ou supposés, dans une large échelle de grandeurs, on peut construire une courbe de réduction du débit pour chaque point de repère où on a déjà déterminé des courbes de fréquence de débits ou de hauteur dans des conditions d'avant-aménagement et d'après-aménage­ment. Les deux variables reportées sur une telle courbe sont les débits de pointe obtenus avec et sans aménagement. On peut alors utiliser ces courbes de réduction pour modifier les courbes de fréquence des débits ou des hauteurs de manière à obtenir des conditions d'avant et après aménagement fixées à l'avance, ainsi qu'un dommage moyen annuel évalué par des méthodes présentées autre part dans ce Guide. Plusieurs programmes de calcul contiennent des sous-pro­grammes permettant d'effectuer le calcul des conditions d'avant l'aménagement et d'évaluer les

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dommages (voir par exemple HEC, 1979; Kuchment, 1972; Shiklomanov, 1979). Si les caractéristiques du chenal et du lit majeur sont telles qu'on ne puisse raisonnable­

ment appliquer une méthode de propagation linéaire, on doit se tourner vers les méthodes non linéaires. Ce sont entre autres: (a) la méthode de Puis modifiée, (b) un algorithme de pro­pagations dans un réservoir, tel que celui qu'on utilise dans le modèle SSARR (OMM, 1974, page 5.63), (c) un indice de stockage (R) dans le bief en fonction d'un indice de débit D (R et D de travail), (Chow, 1964, section 25-11), et (d) méthodes "hydrauliques" de l'écoulement non permanent (Linsley, 1975, section 9-2; et Rosenberg, 1972). Les trois premières méthodes se compliquent quand on doit faire intervenir des apports locaux.. L'apport local vient alors s'ajouter au débit propagé avec laminage par effet de stockage en tête de chaque bief du chenal, avant d'effectuer le calcul de la propagation dans le chenal lui-même, puisque le temps de pro­pagation et l'amortissement de 1 'hydrogramme dépendent de l'importance du débit total. Le caractère linéaire ou non linéaire de la relation entre le stockage et le débit dans le bief peut être déterminé au mieux à partir de crues observées, mais on peut aussi l'estimer à partir de calculs sur les lignes d'eau pour une gamme de débits (Linsley, 1975, pages 295-297).

4.2.6 Méthodes graphiques et régressions

Dans la plupart des pays, on utilise des méthodes graphiques et l'analyse mathématique par régressions pour faire certaines estimations préliminaires des débits naturels et lors de cer­taines étapes dans les études de planification régionale (Shiklomanov, 1979, pages 47-82). Les méthodes utilisées comprennent:

a) les courbes de simples et doubles cumuls et les courbes de variation d'étalonnage, b) méthodes par analogie, c) corrélations multiples entre l'écoulement et ses facteurs conditionnels, d) simulation physico-mathématique de l'écoulement.

L'analyse des courbes de cumuls est présentée au paragraphe 4.1.2. Pour établir une courbe de simples cumuls de débits annuels ou saisonniers, on additionne successivement chaque débit annuel ou saisonnier au total des débits qui le précède dans le temps pour toute la période d'observation. Tout point d'infléchissement indique que l'année à laquelle il correspond peut commencer un changement dans le régime hydrologique. L'importance de ce changement se mesure par la modification de la pente moyenne de la courbe avant et après la cassure: l'interpréta­tion correcte d'une variation ainsi détectée dans les caractéristiques de l'écoulement demande beaucoup d'attention et de compétence. L'approche par les doubles masses est similaire, sauf qu'on met en abscisse, au lieu du temps, les débits cumulés d'un bassin ayant des caractéris­tiques hydrologiques voisines de celle du bassin étudié, et pour lequel on a de bonne raison de penser que son régime n'a pas changé (OMM,1974, pages 5.48-5.49). L'application de la méthode aux courbes d'étalonnage procède du même esprit que la méthode du simple cumul et son but est de mettre en évidence des variations résultant de modifications du lit du cours d'eau.

Les méthodes basées sur l'analogie, ou la corrélation simple, cherchent à établir une sorte de corrélation logique entre les écoulements de deux bassins ayant une similitude hydrologique, dont l'un n'a subit aucune altération physiographique ni de variation hydrologique importante.

Les méthodes basées sur les corrélations multiples sont une extension des corrélations sim­ples. Elles peuvent s'appliquer à plusieurs bassins et chercher à établir les relations entre les variables hydrologiques de ces bassins, mais elles sont plutôt caractérisées par la re­cherche de corrélations entre l'écoulement et des paramètres tels que les précipitations annuel­les et saisonnières, la superficie du bassin, le pourcentage d'urbanisation, le pourcentage de couvert forestier, le type de sol, la superficie des nappes superficielles, la pente du terrain, le couvert de neige, la température, etc.. (voir paragraphe 4.1.5 et Chow, 1964, section 8-II).

Les méthodes de modélisation physico-mathématique mettent en jeux les processus de base de transferts d'humidité et de chaleur, les lois de l'écoulement de surface et subsurface, de l'évapotranspiration, de l'infiltration, etc.. Toutefois, si l'on excepte les modifications importantes dues à l'intervention humaine, telles que des modifications du lit, la construction de réservoirs de dérivations et de réseaux de drainage, le régj age de ces modèles est difficile par suite de la complexité des régimes hydrologiques naturels (OMM, 1974, pages 5.94-5.95).

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(A commander à

Références d'après le tableau 1.2)

*Bureau of Reclamation, U.S. Department of the Interior. 1977. Design of B-57 small dams. Washington, D. C., U. S. Govt. Printing Office.

*Chow, Ven Te. (ed.) 1964. Handbook of applied hydrology. New York, McGraw-Hill. B-27

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Gidrometeoizdat. 1972. Ukazania po opredeleniu raschetnykh gidrologicheskikh B-68 kharakteristik SN 435-72 (Instructions for determining design hydrological characteristics SN 435-72). Leningrad, Gidrometeoizdat. 18 p.

Heras, R. 1976. Hidrología y recursos hidráulicos. Dirección general de B-19 (1) obras hidráulicas. Madrid, Centros de Estudios Hidrográficos. (2 Vols.)

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. 1977. Hydrologie engineering methods for water resources management, B-32 vol 9, Reservoir system analysis for conservation, U.S. Contribution to the or B-52 International Hydrological Decade. California. (NTIS Order No. A052599).

* . 1979» HEC-5, Simulation of flood control and conservation systems, B-52 users manual. California.

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Kuchment, L. S. 1972. Matematicheskoe modelirovanie rechnogo stoka B-68 (Mathematical modelling of streamflow). (in Russian). Leningrad, Gidrometeoizdat. 191 p.

*Linsley, Ray K.; Franzini, Joseph B. 1972. Water resources engineering. 2d ed. B-27 New York, McGraw-Hill.

*Linsley, R. K., Jr.; Kohler, M. A.; Paulhus, L. H. 1975. Hydrology for B-27 engineers, 2d ed. New York, McGraw-Hill.

Nezhikhovsky, R. A. 1971. Ruslovaya set' basseina i process formirovania B-68 stoka vody (Basin drainage network and streamflow formation process), (in Russian). Leningrad, Gidrometeoizdat. 474 p.

Rosenberg, L. J.; Grushevsku, M. S. 1972. Possibilities of calculation of B-68 flood wave attenuation in rivers with shifting bed. (in Russian). Trudy GGI, vol 190. Leningrad, Gidrometeoizdat, p. 211-228.

Shiklomanov, I. A. 1979. Antropogennye izmenenia vpdnosti rek (Anthropogenic B-68 change of water content in rivers), (in Russian). Leningrad, Gidrometeoizdat. 302 p.

* References de 1er ordre en langue anglaise. (1) Coût $50 pour deux volumes (2) Epuisé cet. 1980 (réédition possible), voir en bibliothèques.

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A commander à

d'après le tableau 1.2)

WMO. 1958. Techniques for surveying surface-water resources. T.N. No. 26, A-10 (1) (WMO-No. 82.TP. 32). Geneva.

. 1974. Guide to Hydrological Practices. 3d ed. (WMO-No. 168). A-10 Geneva.

Zheleznyak, I. A. 1965. Regullrovanle pavodochnogo stoka (Flood flow control). B-68 (in Russian). Leningrad, Gidrometeoizdat. 326 p.

(1) Epuisé, voir en bibliothèque

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4.3 METHODES POUR L'EVALUATION DE LA VARIABILITE DE L'ECOULEMENT ANNUEL ET DES CARACTERISTIQUES DE SA REPARTITION SAISONNIERE

4.3.1 Introduction

On utilise Le débit moyen pour exprimer la quantité moyenne d'eau écoulée à laquelle on peut s'attendre de la part d'un fleuve ou d'une rivière pendant une période donnée. Par suite du caractère aléatoire des variables d'entrée (précipitations), l'écoulement a tendance à varier dans le temps, déduction faite d'un effet de persistance quand on raisonne sur les intervalles de temps relativement courts (un mois ou moins). Il est important de connaître l'étendue de ces variations pour mettre en oeuvre de façon économique et sûre des projets d'aménagement des eaux. Le débit moyen interannuel permet d'évaluer la ressource potentielle, tandis que la connaissance des variations saisonnières et interannuelles permet d'estimer les défaillances qui peuvent survenir dans les conditions naturelles et d'évaluer les volumes de réserves nécessaires pour les réduire. Dans le cas où les relevés de débits au site prévu pour l'aménagement sont inexis­tants ou insuffisants, il faut recourir aux méthodes régionales (voir 4.1).

4.3.2 Variabilité de l'écoulement

D'une façon générale, la variabilité peut être caractérisée par trois groupes de descripteurs, soit (a) les paramètres relatifs à la statistique d'ordre, (b) ceux qui concernent les valeurs absolues des différences internes aux valeurs contenues dans l'échantillon, et (c) ceux qui sont calculés à partir des moments. Les descripteurs qui relèvent des deux premiers groupes ne sont pas d'une usage courant en hydrologie.

4.3.2.1 Variabilité de l'écoulement annuel. Le paramètre statistique le plus couramment utilisé pour exprimer la variabilité de l'écoulement d'un cours d'eau est l'écart-type, racine carrée positive de la variance, ou son dérivé le coefficient de variation. L'écart-type a la même dimension que l'écoulement, ce qui fait que, pour comparer les variabilités relatives à des cours d'eau alimentés par des bassins de tailles différentes, on doit utiliser le coefficient de variation qui, lui, est sans dimension, on peut également comparer les écarts-types des loga­rithmes des valeurs.

La précision de la variance, de l'écart-type et du coefficient de variation, estimés à partir d'un échantillon de n années d'observations, peut être calculée par les méthodes données dans Yevdjevich (1972, chapitre 9) et Rozhdestvensky (1977, Chapitre 4). La précision des para­mètres et des quantiles de la loi de probabilité choisie dépend de l'autocorrélation des débits annuels (corrélation entre années successives).

4.3.2.2 Variations saisonnières de l'écoulement. A l'intérieur d'une année, on peut consi­dérer la répartition de l'écoulement entre les saisons ou pour toute période de l'année (par exemple: durant les mois d'été, pour chaque mois, ou jour par jour). En français, on emploie d'une façon générale le terme de variations saisonnières. On les représente en général par la répartition des débits moyens mensuels. La variabilité d'un débit moyen mensuel est calculée de la même façon que pour un débit moyen annuel. S'il s'agit d'un groupe de plusieurs mois, il y aura autant de paramètres estimés que de groupes dans l'année. La variabilité du débit journalier n'est pas une caractéristique d'usage courant, bien qu'on ait déjà utilisé un indice de cette variabilité lors d'études régionales (Chow, 1964, page 14-43). La distribution des débits journaliers (exposée dans la section 4.3.4) est plutôt utilisée pour l'évaluation du potentiel d'un cours d'eau pour répondre à un besoin bien défini.

4.3.3 Ajustement de distribution statistiques aux données d'écoulement

L'ajustement d'une distribution théorique à des données concernant l'écoulement permet d'émettre des avis sur la probabilité qu'une valeur donnée d'une variable d'écoulement a d'être égalée ou dépassée. Ceci a d'importantes implications dans la planification économique des aménagements. Le choix d'une distribution de probabilités théorique convenable est basé sur l'expérience (Brunet-Moret, 1969). Markovic (1965) a montré que les distributions normale, log-normale et gamma s'ajustent bien à des échantillons d'écoulements annuels provenant de 446 stations de jaugeage des Etats-Unis. Kritsky et Menkel (Blokhinov, 1974, chapitre 1; et Rozhdestvensky, 1974, chapitre 2) ont appliqué avec succès la loi gamma à trois paramètres et la distribution type III de Pearson à des écoulements annuels.

Bien que la distribution normale convienne pour de nombreux échantillons observés, elle soulève des difficultés théoriques puisque son emploi suppose que le débit puisse descendre au-dessous de zéro. Il conviendrait donc que les distributions choisies traduisent l'asymétrie généralement constatée dans les données observées. De ce point de vue, il est préférable d'util­iser des lois de type log-normale et gamma.

Il existe de nombreuses méthodes pour ajuster la distribution à l'échantillon. On peut citer l'ajustement graphique, la méthode des moments, la méthode des moindres carrés, la méthode des quantiles, celle des sextiles, le maximum de vraisemblance et la représentation graphique

60

par le facteur de fréquence (Rozhdestvensky, 1974, pages 35-51, 264-277; et NERC, 1975, chapitre 1) .

4.3.3.1 Ajustement' graphique. La méthode de l'ajustement graphique est subjective et consiste à ajuster à l'oeil une courbe aux valeurs observées de l'écoulement reportées sur un graphique gradué en probabilités suivant une des formes habituelles. La courbe ajustée de cette manière est purement empirique et ne correspond à aucune distribution de fréquences connue. L'extrapolation à des valeurs de probabilité extrêmes peut conduire à de sérieuses erreurs de prédétermination; on peut toutefois ne pas tenir compte des points aberrants hauts et bas pour tracer la courbe. La méthode graphique constitue un bon moyen de contrôle a posteriori de l'ajustement d'un échantillon à une loi de distribution connue et de l'adéquation de cette loi. On utilise alors, pour la représentation graphique, un papier gradué de telle façon que les abscisses soient proportionnelles à la probabilité donnée par la loi de distribution choisie. Si les points reportés sur le graphique sont alignés, ou à peu près alignés, on suppose que la distribution des valeurs observées est conforme à la distribution théorique choisie. On peut trouver des procédés d'application de l'ajustement graphique dans Yevjevich (1972, chapitre 5) ; Andrejanov (1975, page 14); Klemes (1973,.page 16); Chow (1964, section 8-1); Sokolov (1976, chapitre 2); Rozhdestvensky (1974, chapitre 3) et Heras (1972).

4.3.3.2 Méthode des moments. On doit commencer par décider du choix d'une distribution particulière à essayer. Les paramètres de cette distribution sont estimés à partir d'un échan­tillon de valeurs observées. Pour une distribution à deux paramètres, on doit estimer la moyen­ne et l'écart-type; quand la distribution comporte un troisième paramètre, il faut ajouter le coefficient d'asymétrie. Les paramètres ainsi estimés sont alors utilisés avec la loi de distribution choisie pour calculer la probabilité pour que telle valeur du débit soit égale ou dépassée. Klemes (1973, pages 15-20); Chow (1964, section 8-1); Sokolov (1976, chapitre 2); et Blokhinov (1974, chapitre 2) exposent l'ajustement de différentes distributions par la méthode des moments. L'estimation des erreurs aléatoires et systématiques sur les paramètres calculés, et par voie de conséquence sur les valeurs des quantités données par la loi de distri­bution ainsi ajustée, est traitée pour la loi gamma à trois paramètres et la distribution Pearson III, dans Rozhdestvensky (1977, chapitres 3 et 4) et Rozhdestvensky (1974).

4.3.3.3 Méthode du maximum de vraisemblance. On peut également estimer les paramètres d'une fonction de distribution choisie pour l'ajuster à une distribution observée, par la méthode du maximum de vraisemblance. On la considère comme la méthode la plus sûre. Bien qu'elle fournisse les estimations les plus consistantes des paramètres, son application est plutôt laborieuse (Chow, 1964,pages 8-31; Blokhinov, 1974, chapitres 3 et 4; Rozhdestvensky, 1974, pages 265-270; Gidrometeoizdat, 1973, pages 9-12; Gidrometeoizdat, 1972, pages 4-5).

4.3.3.4 Autres méthodes. On peut utiliser aussi la méthode des moindres carrés pour ajuster une distribution théorique; elle met en jeu un procédé itératif pour l'évaluation des paramètres habituels (Klemes, 1973, page 16; et Chow, 1964, page 8-31).

La méthode des quantiles, exposée par G^A. Alekseyev, combine les méthodes graphique et analytique d'ajustement des courbes. On en trouve des descriptions dans Klemes (1973, page 16); Sokolov (1976, pages 59-62); Gidrometeoizdat (1972, chapitre 2) et Gidrometeoizdat (1973, chapitre 2). La méthode des sextiles peut être employée pour estimer les paramètres de la distribution de Fisher-Tippet(OMM, 1969, chapitre 5). Une méthode des valeurs de dépassement moyen a été appliquée par Van der Made (1969, volume 1, pages 152-164).

4.3.4 Application des distributions des données sur 1'écoulement

Une analyse des valeurs annuelles de l'écoulement ne débouche pas nécessairement sur la solution des problèmes d'aménagement des eaux, car la majeure partie de l'écoulement peut se produire en une seule saison. Les éléments de base concernant la distribution saisonnière des écoulements sont constitués par les distributions des débits moyens mensuels et journaliers. Ces distribu­tions servent à évaluer la variation saisonnière des probabilités de l'écoulement au cours de 1'année.

4.3.4.1 Distribution des écoulements mensuels. Les méthodes exposées pour la distribution des écoulements annuels sont applicables aux écoulements mensuels. H est alors possible que les échantillons d'écoulement correspondant aux différents mois s'ajustent à des courbes de probabi­lités théoriques différentes.

Une fois la courbe de distribution ajustée pour chaque mois de l'année, on peut tracer un graphique des courbes de probabilités de dépassement des écoulements mensuels. On peut alors joindre les points d'égale probabilité: le graphique permet de comparer la distribution de

61

l'écoulement d'une année quelconque avec la distribution mensuelle moyenne (Klemes, 1973, pages 27-28).

4.3.4.2 Distribution des écoulements journaliers. L^ distribution des écoulements jour­naliers se traduit par la courbe des écoulements (ou débits) classés: on l'obtient en classant, sur toute la période d'observation, les écoulements journaliers par valeurs décroissantes. On peut figurer une distribution en divisant 1'intervalle compris entre le maximum et le minimum en intervalles convenables, et en évaluant la fréquence d'occurrence dans chaque intervalle (Klemes, 1973, page 29; Chow, 1964, pages 14-42 à 14-44).

Ce genre de courbe sert avant tout à évaluer les potentialités de l'écoulement naturel en matière d'usines hydroélectriques, de navigation, de pollution et l'alimentation en eau. On notera que toute l'information concernant la chronologie et les variations saisonnières est perdue dans cette opération, à moins que les courbes de valeurs classées soient établies pour chaque saison.

4.3.5 Absence d'observations

On aura besoin d'appliquer les méthodes appropriées de transfert pour estimer les caractéris­tiques de l'écoulement annuel et de sa répartition dans l'année, aux sites non mesurés ou avec des observations inadéquates. On peut disposer, pour la zone étudiée, des résultats d'une analyse régionale, ou avoir besoin d'appliquer les méthodes décrites dans le sous-chapitre 4.1. Quelques méthodes particulières concernant les écoulements saisonniers sont exposées dans Gidrometeoizdat (1972, Chapitre 3), Gidrometeoizdat (1973, chapitre 3) et Klemes (1973, page 38).

62

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(A commander à

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B-37

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* Référence de 1er ordre en langue anglaise (1) Epuisé, nouvelle édition prévue en 1982 (coût approximatif $100) (2) Epuisé oct. 1980 (réimpression possible), voir en bibliothèques (3) Disponible pour 40 livres anglaises, plus frais d'envoi.

63

4.4 DETERMINATION DES COURBES DE FREQUENCE DES VALEURS EXTREMES DES DEBITS ET DES HAUTEURS DANS LES CONDITIONS NATURELLES ET POUR DES DEBITS REGULARISES

4.4.1 Introduction

Ce sous-chapitre aborde le problème des méthodes de calcul des courbes de fréquence des débits extrêmes dans les conditions naturelles et en cas de régularisation, aussi bien pour les crues que pour les basses-eaux. Les sujets traités comportent les chroniques de données, les courbes de fréquence des débits naturels, les courbes de fréquence des débits en cas de régularisation et la détermination des courbes de fréquence du niveau des réservoirs.

4.4.2 Chroniques de données

Les deux types de chroniques utilisées pour l'analyse de fréquence sont les chroniques de valeurs annuelles et les chroniques d'événements portant sur des parties de l'année. Dans le premier cas, on ne retient qu'une valeur (la plus grande ou la plus petite) correspondant à une variable bien définie, pour chaque année d'observation (en général, l'année hydrologique). La variable peut être le débit maximal instantané, ou le débit journalier le plus fort de chaque mois de janvier, ou le débit journalier le plus faible de l'été, etc..Dans le second cas, on considère tous les événements d'une grandeur située soit au-dessus, soit au-dessous d'un seuil donné. La technique de collecte des données pour chaque type de chronique est exposée dans OMM (1974, pages 5.18-5.20). Pour les chroniques de basses-eaux, les débits observés devraient être répartis en années hydrologiques commençant dans une période ou on soit à peu près assuré d'être en hautes eaux, de manière que les périodes annuelles de basses-eaux aient fort peu de chances d'être coupées en deux (OMM, 1974, page 5.65).

4.4.3 Evénements homogènes

La condition nécessaire pour l'analyse fréquentielle d'é\énements extrêmes est que ces événe­ments soient tirés d'un échantillon représentatif d'événements aléatoires. Il peut arriver que des pointes de crues soient provoquées par de la fonte de neige, par des orages ou par une combinaison des deux; ailleurs les maximums peuvent être causés soit par des averses cycloniques très étendues, soitpardes averses tropicales à forte intensité. Ainsi donc, lorsqu'on peut montrer qu'il y a deux causes, ou plus, distinctes et généralement indépendantes, pour les événements extrêmes, on aboutira à une analyse plus sûre si on les analyse séparément pour combiner ensuite les résultats. Les méthodes permettant cette combinaison des résultats sont exposées dans Sokolov (1976, pages 31-32) et Rozhdestvensky (1974, pages 42-100).

Des données hétérogènes peuvent résulter également des activités de l'homme et de causes naturelles telles que les feux de forêt, les tremblements de terre, etc.. On devrait utiliser des méthodes statistiques quantitatives pour tester l'homogénéité de séries de valeurs extrêmes observées (Sokolov, 1976, pages 77-84, Rozhdestvensky, 1974, pages 184-225) . On devrait tout tenter pour traiter les données de manière à obtenir des séries homogènes.

4.4.4 Courbes de fréquence des débits

On peut utiliser deux méthodes pour élaborer les courbes de fréquence : la méthode graphique et la méthode analytique. On peut utiliser une méthode graphique pour ajuster empiriquement n'importe quel tableau de données, tandis que l'approche analytique comporte l'ajustement aux données d'une loi de distribution statistique choisie à l'avance. La courbe élaborée par voie analytique devrait toujours être comparée à un report graphique des données, afin de s'assurer que la distribution théorique retenue s'accorde bien avec la structure de l'échantillon disponi­ble. La méthode analytique ne convient généralement pas pour les débits régularisés qui ne s'accommodent guère des distributions de fréquences théoriques.

Dans la méthode graphique, on classe les données suivant leur grandeur, en leur donnant des numéros d'ordre,, puis on les reporte sur un graphique gradué de façon appropriée. On peut trouver des détails sur cette méthode dans Chow (1964, pages 8-28 à 8-29); HEC (1957, pages 4-01 à 4-07); Kite (1977, chapitre 2); Sokolov (1976, pages 28-31) et Rozhdestvensky (1974, pages 55-153.

Quand on procède par analyse, on utilise couramment la distribution dite des valeurs extrê­mes (type I, appelée distribution de Gumbel), la distribution logarithmique (log-normale), la distribution de Pearson III, log Pearson III, la distribution exponentielle et, quelquefois la "distribution de Goodrich et celle de Gauss (normale). Ces distributions sont étudiées dans Chow 41964), Kite (1977), OMM (1974), Sokolov (1976), AISH (1967), Rozhdestvensky (1974), NERC (1975) et Heras (1976). Voir aussi section 4.3.2.

Les méthodes utilisées pour établir des courbes de fréquence relatives à des sites non

64

observés varient d'une région à l'autre; on devrait donc contacter les services locaux respon­sables des ressources en eau dans la région à laquelle on s'intéresse. Quelques méthodes à caractère général relatives aux analyses régionales sont exposées dans le sous-chapitre 4.1 et dans Chow (1964), HEC (1072), HEC (1975), Kite (1977), Sokolov (1976), Klemes (1973) et Rozhdestvensky (1974).

4.4.5 Courbes de fréquence des débits de pointe en conditions naturelles

Plusieurs pays ont mis au point des méthodes normalisées pour l'analyse fréquentielle des débits de pointe. Le Conseil des ressources en eau des Etats-Unis a publié, en 1976, des papiers gra­dués dont certains permettent l'application de la distribution log-Pearson III (U.S. Water Re­sources Council 1977). Ces méthodes ont été introduites dans les programmes pour ordinateur (voir USGS, 1976 et HEc, 1976b). On dispose également de programmes pour l'application des distribu­tions normale, log-normale, Gumbel et Pearson-III.

Le Conseil général de recherches pour l'environnement de Grande-Bretagne, a appliqué dans ce pays plusieurs distributions aux données sur les crues (NERC, '1975). Une publication expose en détail les méthodes de traitement des données, les méthodes fréquentielles, la comparaison des résultats et les papiers gradués destinés à l'utilisation de méthodes normalisées pour l'analyse de la pluie et de la fonte de la neige. Les méthodes d'analyse statistique des débits maximaux utilisées en USRR sont exposées dans "Instructions et Guide pour déterminer les caractéristiques hydrologiques des projets". (Gidrometeoizdat, 1972; Gidrometeoizdat, 1973 et Sokolov 1966, pages 3-54.

Quand on utilise des distribution statistiques dont la définition des paramètres fait appel à des moments d'ordre élevé, tels que les coefficients d'asymétrie et d'aplatissement, on devrait utiliser des valeurs régionalisées ou pondérées, car les valeurs qu'on peut déduire des échantil­lons de tailles généralement disponibles dans les études hydrométéorologiques sont affectées d'une grande variance d'estimation.

4.4.6 Courbes de fréquence des débits de pointe lorsqu'il y a régularisation

Lorsque les écoulements ont été influencés de façon significative par l'activité de l'homme, on devrait en général procéder graphiquement pour l'établissement des courbes de fréquence , car il est rarement possible de choisir une distribution théorique adéquate, comme l'exige une méthode analytique.

Le procédé habituel pour obtenir les débits régularisés extrêmes consécutifs à des projets d'aménagement des ressources en eau consiste à simuler l'exploitation de l'aménagement. Des méthodes pour la mise au point des courbes de fréquence en cas de régularisation sont exposées dans le chapitre 7 de HEC (1975). L'utilisation de programmes informatiques pour la simulation des systèmes de ressources en eau est exposée dans HEC (1976a) et HEC (1977).

Les prélèvements d'eau aux cours ou aux nappes souterraines adjacentes et les transferts à l'intérieur du bassin, qui n'ont habituellement qu'un effet mineur sur les apports annuels du cours d'eau, peuvent avoir une influence significative sur les distributions fréquentielles des basses-eaux.

Les courbes de fréquence de l'alimention des réservoirs peuvent être calculées, en se basant sur l'information relative aux basses-eaux, pour faciliter l'évaluation des fournitures d'eau potentielles d'un réservoir existant ou projeté (Gidrometeoizdat, 1972, pages 18-20 à 18-25) .

4.4.7 Courbes de fréquence des bas-débits dans des conditions naturelles et avec régularisation

Il est rare qu'on puisse ajuster à des courbes de fréquence de bas-débits une distribution de probabilités théoriques. Les conditions géologiques et climatiques confèrent souvent à ces cour­bes une forme inhabituelle, on peut donc en général recommander la méthode graphique. De plus, nombre des événements impliqués dans cette analyse peuvent avoir une valeur nulle et il faut prendre des précautions particulières lorsque la distribution statistique choisie comporte une transformation logarithmique. Divers aspects de l'analyse fréquentielle des basses-eaux sont exposés dans Chow (1964, section 18), OMM (1974, section 5.3.5), Rozhdestvensky (1974), Gidrometeoizdat (1972) et Gidrometeoizdat (1973).

L'aménagement d'un bassin peut avoir des effets dramatiques sur la distributions statistique des basses-eaux. C'est ainsi qu'un prélèvement modéré peut être négligeable dans l'évaluation des caractéristiques de l'écoulement des crues, mais réduirait de façon significative ou même supprimerait les faibles débits. C'est pourquoi un des aspects les plus importants de l'étude des basses-eaux concerne l'évaluation des effets passés et futurs de l'aménagement du bassin.

65

4.4.8 Détermination des courbes de fréquence des hauteurs dans les rivières et des niveaux des réservoirs

Les courbes de fréquence des niveaux (ou hauteurs à l'échelle, ou volume stockés) d'un réservoir dépendent des débits d'entrée, de la taille du réservoir et de la méthode de son exploitation. On ne trouve pas habituellement une distribution théorique adéquate permettant de réaliser l'analyse statistique; c'est pourquoi on recommandera habituellement les méthodes graphiques. Un choix d'applications sont exposées dans le chapitre 6 de HEC (1975) et le chapitre 6 de Pokolov (1976).

Les courbes de fréquence des hauteurs maximales dans les cours d'eau sont tout à fait non linéaires et devraient être ajustées par une méthode graphique. On doit apporter le plus grand soin dans le transfert de ces courbes en amont ou en aval, les relations étant sensibles aux conditions hydrauliques du lit et à l'influence du remous. Si on ne dispose pas au site de données sur les hauteurs à l'échelle, il est recommandé de commencer par établir pour ce site une courbe de fréquence des débits de pointe et une relation hauteurs-débits, que l'on com­binera pour obtenir la courbe de fréquence des hauteurs.

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Références (A commander à d'après le tableau 1.2)

*Chow, Ven Te. (éd.) 1964. Handbook of applied hydrology. New York, McGraw-Hill. B-27

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^Référence de 1er ordre en anglais (1) A commander au USGS en Virginie, USA

68

4.5 DETERMINATION DES CRUES DE PROJET

4.5.1 Introduction

Une crue de projet se présente sous forme d'une hydrogramme de crue, ou d'un débit de pointe de crue, qui sert de base à un projet de contrôle des crues, à l'évaluation des éléments d'un pro­jet ou de son exploitation, ou à des prises de décisions les concernant. La crue de projet peut être une crue de fréquence donnée ou une crue maximale probable à laquelle on n'assigne pas de fréquence. Ce sous chapitre est consacré aux méthodes d'évaluation des crues de projet, incluant à la fois les méthodes faisant appel à la notion de fréquence et à celles qui utilisent les averses de projet synthétiques.

4.5.2 Considérations réglementaires

Le degré de protection que doit refléter une crue de projet exige des prises de position régle­mentaires basées sur la considération des conséquences que pourrait entraîner un dépassement de cette crue. Lorsque la défaillance d'un ouvrage risque d'entraîner des pertes en vies humaines ou des dommages matériels très importants, on doit s'en prémunir avec un haut degré de sécurité en prenant en compte les conditions de crue les plus sévères qu'on peut raisonnablement considé­rer comme ' possibles au site de l'aménagement. Si les conséquences d'une défaillance sont moins graves, on se base plutôt, pour le choix du niveau de protection, sur une analyse écono­mique visant à minimiser le coût total annuel (c'est-à-dire le coût des ouvrages plus celui des dommages). Les méthodes utilisées en URSS, aux Etats-Unis et en France pour déterminer les fréquences de projet optimales sont décrites par Sokolov (1976, chapitre 1).

Le tableau 4.5.1 donne les critères en usage en URSS pour servir de base au choix de la probabilité à affecter à une crue de projet.La catégorie de l'ouvrage est fonction de sa taille et des conditions aval. Par exemple, un barrage élevé situé à courte distance en amont d'une zone à forte densité de population ou hautement industrialisée serait classé en catégorie I. Voir le chapitre 1 de Sokolov (1976) pour la définition des catégories et pour un bref aperçu de critères de crues de projet analogues utilisés dans d'autres pays. Le tableau 4.5.2 montre les critères mis au point pour la Grande Bretagne (page 6 de Institution of Civil Engineers, 1978) . Voir aussi Der Made (1969) dans lequel les critères de crues de projet sont basés sur l'extra­polation de la courbe de fréquence et sur l'adoption d'un risque associé à la durée de vie de 1'aménagement.

Tableau 4.5.1

Critères de crues de projet pour les ouvrages hydrauliques

Probabilité annuelle de dépassement Pourcentage de chance de dépas-Catégorie de la crue de projet (en pour cent) sèment en 100 ans de vie du

projet

I .01 1 II .1 10 III .5 39 IV 1.0 63

Les critères tels que ceux qu'on peut voir sur le tableau 4.5.1 font appel à des périodes de retour allant de 100 ans (1 pour cent de dépassement) à 10.000 ans. A cause de l'extrême incertitude associée aux valeurs estimées des crues de périodes de retour supérieures à 100 ans, c'est une pratique générale, en de nombreux pays, de passer par l'intermédiaire d'averses syn­thétisées par analyse hydrométéorologique pour évaluer les crues de projet. On utilise par exemple l'averse maximale probable lorsqu'une défaillance de d'ouvrage serait catastrophique (comme pour la catégorie I du tableau 4.5.1), avec l'idée qu'une telle averse représente la limite supérieure pratique de la précipitation (ou.de la précipitation plus la fonte de neige) considérée comme raisonnablement possible dans un bassin. On trouvera dans OMM (1974, pages A.16 -A.17) d'autres commentaires sur les considérations réglementaires concernant les crues de projet.

4.5.3 Crues de projet de fréquence donnée

On utilise un grand nombre de méthodes différentes pour évaluer les crues de projet corres-

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pondant à une fréquence de dépassement ou à une période de retour donné. Elles comprennent: a. le calcul des courbes de fréquence de crues à partir des données d'écoulement/ b. l'utilisation de formules empiriques, et c. le calcul du ruissellement de crue à partir d'averses synthétiques de fréquence donnée. Les méthodes de calcul des courbes de fréquence des débits à partir des données d'écoule­

ment sont abordées dans le sous-chapitre 4.4 Les hydrogrammes de crues de projets peuvent être déterminés à partir des débits de pointe et des volumes de crue en utilisant les formes des hydrogrammes observés les plus forts. La section 5.2 de Sokolov (1076) et le chapitre 5 de HEC (1975) donnent des exemples de cette approche.

Une méthode a été mise au point en France (ICOLD, 1973) pour calculer une courbe de fré­quence des débits de pointe à une station comportant une courte période d'observation, à partir d'une longue série d'observations pluviométriques. La méthode, connue sous le nom de méthode du Gradex, est également dans la section 4.4.7 de Sokolov (1976).

Quand les observations de débits sont insuffisantes, des formules empiriques sont d'usage courant dans certains pays. En URSS par exemple, on utilise couramment des formules "de réduc­tion" donnant la variation du débit spécifique de pointe avec soit la superficie du bassin, soit son temps de réponse, pour des superficies de bassin supérieures à 50 kilomètres carrés. Les données publiées par UNESCO (1976) et Francou (1967) peuvent être intéressantes pour la mise au point de telles formules et abaques "de réduction". D'autres paramètres ont une influence par­ticulière sur ce phénomène et peuvent être pris en compte dans ce type de relations: pente du bassin, précipitation journalière, caractéristiques du sol, etc.. Des analogies avec des cours d'eau observés sont utilisées pour obtenir les données nécessaires à la détermination des para­mètres (Sokolov, 1976 et Gidrometeoizdat, 1973) . Pour les bassins de superficie inférieure à 50 km2, on fait grand usage de la méthode rationnelle (Sokolov, 1976 et Gidrometeoizdat, 1973°. On trouvera dans le chapitre 4 de Sokolov (1076) un exposé détaillé sur les formules empiriques, aussi bien pour les volumes ruisselas que pour les débits de fonte de neige. Rodier (1965) rela­te une étude sur l'évaluation des crues décennales pour les petits bassins tropicaux de l'Afrique de l'Ouest.

Dans de nombreux pays, on se base aussi couramment sur des averses de projet synthétiques pour mettre au point des hydrogrammes de crue de fréquence donnée. On utilise cette approche lorsque les données d'observation de débits sont insuffisantes pour permettre une analyse fré-quentielle classique ou lorsque les débits de pointe peuvent être modifiés par l'utilisation du sol ou par l'aménagement projeté. Dans cette approche, on fait généralement l'hypothèse impli­cite que la fréquence de dépassement de 1'hydrogramme de crue de projet est identique à celle de la crue de projet synthétique. Cette hypothèse peut être mise en question dans les cas où les conditions d'humectation du sol et les caractéristiques de la répartition de la précipitation ont une influence notable sur l'importance de la crue. Chaque fois qu'on peut le faire, il est souhaitable de tester la fréquence de dépassement associée à une combinaison d'une averse syn­thétique et d'un état du bassin (se traduisant par un certain taux de pertes), en évaluant, à des stations d'observations, la fréquence de dépassement du débit de pointe calculé, à partir des courbes de fréquence obtenues par analyse statistique.

Les averses de projets synthétiques sont établies en se basant sur des critères régionaux de fréquence des précipitations. On obtient de tels critères en commençant par mettre au point des relations hauteur-durée-fréquence pour des précipitations ponctuelles, par une analyse statis­tique des données d'observation. (Voir par exemple Garcez, 1974). On dresse alors des cartes isohyètes pour des valeurs de précipitations correspondant à des fréquences et des durées données. De telles cartes ont été établies par le U.S. National Weather Service et sont présentées dans la section 9 de Chow (1964). Des caractéristiques de pluies de projet en URSS sont décrites dans Smirnova (1969). Voir aussi 4.4.3.2 de Sokolov (1976).

Les estimations de pluies ponctuelles peuvent être converties en estimations de précipita­tions sur une surface, en utilisant des relations générales établies entre les précipitations ponctuelles et les précipitations sur une surface. Pour établir de telles relations, on effec­tue des études fréquentielles des précipitations moyennes observées en un certain nombre de lieux et on compare les hauteurs de précipitations ponctuelles avec les hauteurs de précipitations moyennes sur des surfaces, pour différentes fréquences données. Les relations qu'on peut tirer de cette façon de procéder sont illustrées dans la section 9 de Chow (1964) et la section 4.10 de Sokolov (1976). Voir aussi Vuillaume (1974).

Une fois obtenues les valeurs hauteur-durée pour une averse de projet, il faut en répartir la hauteur dans le temps. On peut adopter une répartition symétrique satisfaisant à la relation hauteur-durée souhaitée, ou se baser sur une analyse des formes de répartition observées pour les averses. On trouvera un exemple de cette sorte d'analyse dans Huff (1967). La transforma­tion de l'averse en ruissellement est exposée au paragraphe 4.5.5.

71

4.5.4 Crue maximale probable

La crue maximale probable est celle qui résulterait de la combinaison la plus défavorable de conditions météorologiques et hydrologiques critiques raisonnablement possibles dans la région. On l'utilise en maints pays comme crue de projet pour dimensionner 1"évacuateur d'un ouvrage dont la destruction pourrait entraîner des pertes en vie humaines ou des dégâts matériels majeurs. On la détermine en commençant par établir l'averse maximale probable puis on met en oeuvre une analyse précipitations-débits appropriée.

L'évaluation de la précipitation maximale probable est basée sur une transposition et une maximisation des averses ou se fait en utilisant des modèles d'averses. OMM(1973), ECAFE (1967) et OMM (1969) exposent la théorie et les méthodes utilisées par les météorologues pour mettre au point la précipitation maximale probable. Voir aussi HEC (1975), section 4.10 de Sokolov (1976), section A.5.6 de OMM (1974) et section 9 de Chow (1964).

4.5.5 Passage de l'averse de projet à la crue de projet

Un choix de méthodes permet de passer des précipitations au ruissellement; elles vont de simples formules empiriques utilisant un coefficient de ruissellement à des modèles numériques qui tentent de reproduire en détail les différentes composantes du cycle hydrologique (Kutchment,1972, Kutchment, 1980). Un exposé très complet de ces différentes méthodes est fourni dans le cha­pitre 4 de OMM (1969, page 137-181) et dans le chapitre 5 de Sokolov (1976). Une des méthodes les plus largement répandue est celle de 1'hydrogramme unitaire. L'exposé qui suit se rapporte tout d'abord aux aspects de cette méthode.

La méthode de 1'hydrogramme unitaire demande la détermination des paramètres qui régissent les pertes (ou l'infiltration), de la fonction de transformation des pluies en débits (c'est-à-dire 1'hydrogramme unitaire) et de l'écoulement de base. Si la fonte de la neige est incluse dans les facteurs, d'autres paramètres doivent être déterminés en plus. Comme il est générale­ment nécessaire de diviser le bassin en plusieurs sous-bassins pour représenter fidèlement le processus de ruissellement et élaborer les hydrogrammes de crue aux endroits voulus, il faut mettre au point et faire intervenir des modèles de propagation.

4.5.5.1 Pertes. L'identification des pertes peut constituer un point essentiel du cal­cul des crues de projet. Ces pertes peuvent être mises en liaison avec l'état du sol lorsqu'on dispose de données précipitations-écoulement pour un certain nombre de crues. La valeur des pertes devrait varier dans le même sens que la grandeur de l'averse de projet. Pour des averses de projet correspondant à une fréquence donnée, on devrait les régler de telle manière que les débits de pointe calculés soient en accord avec les débits fournis par les courbes de fréquence établies aux stations de mesure, pourvu que les relevés à ces stations soient suffisants pour fournir des estimations raisonnablement sûres des fréquences. Les pertes correspondant à l'aver­se maximale probable devraient être les plus défavorables qu'on puisse raisonnablement envi­sager en conjonction avec la précipitation maximale probable. Le chapitre 4 de HEC (1975) donne des informations sur le choix des valeurs de pertes à utiliser pour les calcul des crues de projet.

4.5.5.2 Fonte de neige. Dans de nombreuses régions du monde, la neige s'accumule pendant l'hiver et fond au printemps. Le stock de neige maximal qui parvient juste avant le début de la fonte est d'importance capitale pour les crues de fonte de neige. L'étude fréquentielle de l'équivalent en eau maximale du stock, en un lieu donné ou en moyenne sur un bassin, a beaucoup de points communs avec celle de la pluie ou de l'écoulement. Une telle étude peut servir à évaluer le stock de neige correspondant à une fréquence donnée et à estimer le potentiel maxi­mal de fonte. Voir chapitre 3 de OMM (1969) où sont exposées les méthodes d'estimation des limites supérieures de l'accumulation de la neige dans les bassins versants.

Deux méthodes couramment employées dans les calculs de fonte de neige sont celles des degrés-jours et celle du bilan d'énergie. La méthode des degrés-jours prend en compte les tem­pératures de l'air et un coefficient de fonte, tandis que celle du bilan énergétique demande en plus d'autres données dont la température du point de rosée, le rayonnement solaire et la vites­se du vent. Cette dernière méthode est beaucoup plus proche de la physique du processus de fonte que celle des degrés-jours et on la préfère dans la mesure où on dispose de données suffisantes pour choisir des valeurs "de projet" appropriées pour les paramètres météorologiques. Voir chapitre 3 de OMM (1969), section 4.8 de Sokolov (1976), chapitre 3 de HEC (1973), section IX de Gray (1970), et section 10 de Chow (1964) pour l'exposé de méthodes de calcul de vitesse de la fonte de neige. Les précipitations qui se produisent pendant la saison de fonte sont traitées comme des chutes de neige et ajoutées au stock de neige quand et où les tempéra­tures de l'air sont inférieures à 1 ou 2°C . Autrement, ces précipitations sont considérées comme des pluies qui sont absorbées par le stock jusqu'à ce que celui-ci soit saturé et que les

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températures de fonte soient atteintes. Quand une fon-te se produit dans un intervalle de temps, on l'ajoute aux pluies excédentaires qui se produisent dans le même intervalle. La méthode du bilan d'énergie, appliquée à la fonte de la neige, tient compte de la part d'énergie apportée par la pluie.

4.5.5.3 Ruissellement pur. On calcule le ruissellement en utilisant un pas de temps fixe chosi de manière à fournir une description raisonnablement détaillée de la forme de 1'hydro­gramme. Ce pas de temps est compris en général entre 1/5 et 1/3 du temps de concentration du bassin. On transforme un hyétogramme de précipitation excédentaire (précipitation totale moins les pertes) en hydrogramme de ruissellement pur au moyen d'un hydrogramme unitaire. Les hypo­thèses sous-jacentes à l'application de 1'hydrogramme unitaire et les méthodes de calcul des hydrogrammes unitaires, aussi bien dans le cas de bassins contrôlés par des stations de jaugea­ge que pour des bassins non observés, sont traitées dans de nombreuses publications. Voir par exemple HED (1973), section 14 de Chow (1964), section 5.5.4 de Sokolov (1976), section VIII.4 de Gray (1970) et section 4.3 de OMM (1969). Si un hydrogramme unitaire est tiré d'hydrogrammes de faibles crues, il peut être nécessaire de le corriger pour son application à de grosses aver­ses de projet. Voir section 5.5.5.2 de Sokolov (1976).

4.5.5.4 Ecoulement pur. Le ruissellement pur, tel qu'il ressort de l'emploi de l'hydrogramme unitaire représente une réponse plus ou moins immédiate à un événement averse. L'écoulement de base, qui repésente en général un écoulement provenant d'événement précipitations antérieurs, doit être ajouté au ruissellement pour obtenir l'écoulement total. Pour de nombreux cours d'eau, l'écoulement de base représente un pourcentage relativement faible, disons moins de 10% de l'écoulement total fourni par les grandes crues. En conséquence, l'estimation du débit de base est rarement considérée comme un problème majeur dans la détermination de la crue de projet. L'estimation des débits de base se fait quelquefois à partir de courbes enveloppes des débits de base provenant de crues passées. On -traite du débit de base dans la section 14 de Chow (1964), la section 5.5.2 de Sokolov (1976) et la section VII.4 de Gray (1970). Une technique de calcul des débits de base, qui fait appel à la modélisation mathématique, est donr-née dans Vancon (1977).

4;5.5.5 Propagation et composition des écoulements fluviaux. Quand il est néces­saire de diviser le bassin en sous-bassins, le ruissellement calculé pour chaque sous-bassin est transféré à travers les lits des cours d'eau et les réservoirs et composé avec d'autres hydrogrammes aux points d'utilisation situés à l'aval. Le passage d'une onde de crue dans un cours d'eau s'exprime mathématiquement par les équations de base de l'écoulement non permanent, équations dites de Saint Venant, Le transfert de l'onde de crue peut s'exprimer de plusieurs manières qu'on peut classer en gros en (a) méthodes de résolution de l'équation de continuité considérée comme une approximation de l'équation générale du mouvement, et (b) méthodes donnant une solution du système complet d'équations (unidimensionnel). On qualifie quelquefois le pre­mier groupe de méthodes "hydrologiques" de représentation de la propagation et le second groupe de méthodes "hydrauliques".

Actuellement (1980), les méthodes hydrologiques sont probablement d'un emploi plus courant que les méthodes hydrauliques pour exprimer la propagation des ondes de crue dans les chenaux naturels. Il en existe une grande variété dont quelques-unes sont décrites dans la section 25 de Chow (1964), la section VIII.6.2 de Gray (1970), et la section 4.2.3.2 de Klemes (1973). La plupart de ces méthodes exige l'évaluation de paramètres de propagation semi-empiriques qui ne peuvent parfois être déterminés que par un réglage à partir des débits observés.^ L'utilisation d'une méthode de propogationà travers un réservoir a pu s'avérer utile pour la propagation dans un chenal, les données indispensables sur la relation stockage-débit étant alors fournies par le calcul des lignes d'eau en régime-permanent pour une certaine gamme de débits.

Les méthodes classiques de propagation en rivière peuvent parfois ne pas convenir. Lors­qu'à la sortie l'écoulement se répand s-ur un large cône de déjection, il est essentiellement bi-dimensionnel. Dans les pays arides, il est fréquent que l'essentiel des pertes se produise pendant le passage de l'onde de crue. De tels phénomènes sont difficiles à modéliser. Le sous-chapitre 4.7 donne une information plus détaillée sur la propagation des crues.

4.5.5.6 Propagation dans un réservoir. Son étude a pour but d'évaluer les écoulements qui peuvent résulter, à la sortie du réservoir, de 1'hydrogramme en entrée, compte tenue d'une hauteur donnée au départ et de règles données d'exploitation. On simule le "laminage" par le réservoir d'une crue de projet relative à un évacuateur de crue pour déterminer la hauteur maxi­male atteinte par le plan d'eau, afin de fixer la hauteur du couronnement du barrage. La crue de projet de 1'évacuateur peut être basée sur la crue maximale probable, ou sur une crue de moindre importance, suivant les conséquences que provoquerait un débordement et en accord avec les dispositions réglementaires. En ce qui concerne le choix du niveau initial à considérer

73

pour le réservoir, on trouvera des informations dans la section 6.03 de HEC (1976) et dans Bakhtiarov (1961, pages 159-200).

Si l'évacuateur de crue et/ou les ouvrages de sortie ne comportent pas d'organes de con­trôle, la simulation de la propagation de la crue de projet à travers le réservoir peut s'effec­tuer très simplement en utilisant une méthode de stockage et déstockage. On obtient la rela­tion indispensable entre le volume stocké dans le réservoir et le débit sortant en combinant les informations fournies par la courbe de remplissage et la loi hauteur-débit des différents ou­vrages. Ces méthodes sont exposées dans de nombreux manuels d'hydrologie et d'hydraulique; voir par exemple la section 25 de Chow (1964) et la section VIII.6.3 de Gray (1970). La propagation à travers un réservoir dont les sorties sont contrôlées par un vannage peut être étudiée de la même manière, sauf qu'il faut ajouter, dans les relations hauteurs-débits, des paramètres tenant compte de la manoeuvre des vannes.

4.5.5.7 Calculs par ordinateur. Les programmes de calcul sur ordinateurs, conçus à l'origine pour simuler les processus précipitations-débits,ont vu leur champ s'élargir depuis un certain nombre d'années. Aux E.U.A., on peut citer quelques modèles types relatifs à des événements isolés: HEC-1 (HEC,1978); modèle pluie-débit pour la synthèse du débit de pointe, du USGS (Dawdy, 1972), et SWMM (Huber, 1977). Ces trois modèles étaient prévus à l'origine pour des bassins naturels et utilisent 1'hydrogramme unitaire pour la transformation pluie-débit. Le modèle HEC-1 a la possibilité de reproduire la fonte de neige. Le modèle SWMM est conçu à l'origine pour des bassins urbains de taille réduite et utilise une approche d'onde cinématique pour la transformation pluie-débit:, il est prévu pour l'aspect qualité aussi bien que pour l'aspect quantité. Le modèle TR-20 s'applique particulièrement bien aux bassins cultivés. Un modèle mis au point en France et au Canada, appelé modèle à discrétisation spatiale, est exposé dans Girard (1972). On trouvera une brève description des modèles enume­res ci-dessus, ainsi que de plusieurs autres, dans Bouvers, Chu (1977).

HEC (1966) expose un programme de calcul qui (a) calcule une courbe d'étalonnage d'un évacuateur pour une charge maximale sur le seuil supposée et (b) simule la propagation d'une crue de projet pour évacuateur afin de déterminer la hauteur maximale du plan d'eau et le débit maximal de sortie. Le programme accepte soit un déversoir à seuil arrondi et murs verticaux, soit un déversoir à seuil épais. Pour la propagation, l'évacuateur peut comporter ou non des organes de contrôle, et on peut ajouter le débit s'échappant par une conduite ou un canal.

Références (A commander à d'après le tableau 1.2)

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^Référence de 1er ordre en anglais (1) A commander au USGs, à Denver (2) Epuisé, voir en bibliothèque

74

(A commander d'après tableau 1

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Rodier, J.; Auvray, C. 1965. Estimation des débits de crues décennales pour les bassins versants de superficie inférieure à 200 km2 en Afrique Occidentale. Paris, ORSTOM.

B-32 or B-52

B-32 or B-52

B-32 or B-52

B-52

B-64

A-6 (2)

A-10 (3)

B-68

B-68

B-37

* Référence de 1er ordre en anglais (1) N'est plus disponible, essayer en bibliothèques (2) Epuisé; disponible en bibliothèques (3) Epuisé oct. 1980 (réimpression possible), voir en bibliothèques

(A commander à d'après le tableau 1.2)

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*Unesco. 1976. World catalogue of very large floods. Paris, Unesco. (Studies A-7 and reports in hydrology, 21.)

Vancon, J. P., 1977. Val, Modele mathématique hydrologeologique en regime B-6 permanent et transitoire adapte aux petits ordinateurs, dans: résume des principaux résultats scientifiques et techniques du service géologique national pour 1977. Service Géologique National, Supplément au Bulletin du BRGM. Paris.

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Vuillaume, G. 1974. L'abattement des précipitations journalières en Afrique B-37 intertropicale: variabilité et précision de calcul. Paris, Cahiers ORSTOM, (Série Hydrologie, Vol XI, 3).

*WM0. 1969. Estimation of maximum floods. T.N. 98 (WMO-No. 233, T.P. 126). A-10 Geneva.

1973. Manual for estimation of probable maximum precipitation. A-10 Operational Hydrology Report No. 1. (WMO-No. 332). Geneva.

1974. Guide to hydrological practices. 3d éd. (WMO-No. 168). A-10 Geneva.

*Référence de 1er ordre en anglais

76

4.6 DETERMINATION DES REVANCHES POUR L'ACTION DU VENT ET DES VAGUES

4.6.1 Introduction

Ce sous-chapitre donne la définition de la revanche et aborde les problèmes des besoins, des critères et des références en matière d'adoption d'une revanche dans la conception des digues, murs de protection et barrages. Il met l'accent sur. les besoins engendrés par des vents forts et prolongés. De nombreuses références, dont IAEA (1980) fournissent des procédés détaillés pour ce genre de calculs.

4.6.2 Définition de la revanche

La revanche est la distance verticale entre une cote de référence prévue pour le plan d'eau et le sommet de l'ouvrage (barrage, digue, mur de protection)': son but est de préserver les ouvrages de la submersion en cas d'arrivée de la crue de projet. Notamment, le terme de "revanche minimale" revêt une importance particulière puisqu'il désigne la valeur de la revanche lorsque le plan d'eau atteint la cote maximale prévue par le projet. Dans le cas d'un barrage, le niveau de référence est la hauteur maximale de l'eau atteinte durant l'évacuation d'une crue de projet. Dans le cas d'un endiguement de rivière, ce pourrait être la ligne d'eau correspondant à la crue de projet. Les facteurs qui ont une influence sur la hauteur de crête des barrages et des digues sont, outre le niveau de la crue de référence;

la surélévation due au vent les seiches (oscillations) les vagues la subsidence

4.6.3 But de la revanche

C'est d'agir comme mesure de sécurité à l'encontre de la submersion d'un ouvrage due à une malen­contreuse coincidence d'éléments physiques agissant de manière à provoquer un exhaussement du niveau d'eau au-dessus du niveau maximal du plan d'eau calme. La submersion des parties de l'aménagement qui n'ont pas lieu de se trouver sous l'eau doit être évitée si elle a des chances de les endommager. Les facteurs qui peuvent agir indépendamment ou de concert pour provoquer une telle surélévation du plan d'eau sont un vent fort et persistant, un long bief d'approche*, de la glace dans l'evacuateur, et des crues excédant la crue de projet.

4.6.4 Les chenaux et les digues

On ménage une revanche pour s'assurer que le niveau de protection ne sera pas réduit par la négligence de facteurs, tels que la non prévision d'aménagement futurs ou de l'urbanisation, qui pourrait conduire à des débits plus forts que ceux de la crue de projet, le tassement des digues dû à la subsidence, l'envasement des chenaux, l'accumulation de débris, les erreurs .d'estima­tion ou les changements des coefficients de rugosité et les surélévations dues au vent. Cer­tains biefs demandent une étude particulière et l'adoption d'une revanche supplémentaire pour faire face à un surcroit d'incertitude dû par exemple à une surélévation du niveau de l'eau dans les courbes des chenaux à courant rapide, à des conditions d'écoulement particulières aux jonc­tions de chenaux à courant rapide, à une accumulation de débris sur les piles des ponts, à des variations brusques de régime et à des bassins à ressaut. Pour la détermination de la revanche, on ne peut pas faire appel à des formules générales tenant compte de tous ces phénomènes. L'attribution d'une revanche minimale dépend d'une évaluation du risque et des conséquences d'une défaillance des digues, de la vitesse et de la profondeur du courant et de la concentra­tion du courant au point de submersion. Les hauteurs minimales de revanche peuvent aller de 0,3m pour des profils rectangulaires en béton à 1,5 m pour des digues en terre. Si le profil en long de la ligne d'eau maximale prévue pour le projet reste en-dessous de la surface du sol, 0,5 m devrait normalement suffire. Une mesure du degré de sécurité fourni par la revanche adoptée consiste à évaluer quel pourcentage de la crue de projet la zone de revanche peut absor­ber en supplément (United States Army Corps of Engineers, 1970, paragraphe 12a). Dans des chenaux très larges, ou lorsque des biefs relativement longs sont orientés en sens contraire

Note du traducteur: on a traduit par "bief d'approche" le terme anglais "fetch"; c'est la longueur, en ligne droite de la surface de l'eau libre d'obstacle exposée à l'action du vent. L'expression française peut avoir d'autres sens.

77

des vents auxquels on peut s'attendre lors des crues, les vagues dues au vent peuvent se briser contre les digues et passer par-dessus. Dans ces cas, les besoins en revanche devraient être analysés de la même façon que lors de l'élaboration d'un projet de parapet de barrage (Chow, 1964, section 21, page 71; Bureau of Reclamation, 1977, section 142; Rouse, 1950, chapitre 11; OMM, 1974, page A.32).

4.6.5 Grands lacs

Les vagues dues au vent constituent un facteur essentiel dans le calcul des revanches pour les digues et barrages érigés en bordure d'un grand lac. Les lacs de grande superficie, ayant des possibilités intéressantes pour la navigation, les loisirs et l'alimentation en eau, vont sou­vent de pair avec une certaine densité de population et des réalisation structurelles qui doivent être protégées de l'action des vagues dues au vent. La hauteur des vagues dépend de facteurs tels que la vitesse du vent, sa durée, la longueur du bief d'approche et la profondeur de l'eau (OMM, 1974, page A,32). D'autres facteurs affectent la hauteur des vagues et la hauteur de submersion qui peut en résulter: pente de la digue ou du mur, rugosité de leur sur­face (voir section 4.6.8). On peut trouver des méthodes analytiques pour l'estimation de la hauteur potentielle de ces vagues dans Davis (1969 section 4, page 17 à 22), USACERC (1977, volume II, chapitre 7), OMM (1974, pages A32-A34). Les seiches sont des oscillations de la masse d'eau contenue dans un lac, un port ou un golf. Elles sont amorcées par des perturbations de la pression atmosphérique, comme c'est le cas dans les situations qui entraînent normalement de basses pressions: cyclones et tornades. Une perturbation périodique, lorsque sa période correspond à la période d'oscillation propre à la masse d'eau, entraînera un phénomène de résonance qui peut mener à un mouvement vertical relatif de l'eau d'importance non négligeable. Ce phénomène est typique des lacs allongés tels que le lac de Genève en Suisse ou quelques-uns des Grands Lacs à la fontière des Etats-Unis et du Canada.

4.6.6 Parapet des barrages

Pour les barrages, la revanche est souvent définie au-dessus d'un niveau donné dans la retenue, tels que la cote nominale, la cote correspondant au déversement maximal durant le passage d'une crue de projet, ou un niveau de référence compris entre ces deux extrêmes (OMM, 1974, paragraphe A.8.1; Kondratiev, 1960, pages 5-10, 38-40).

Normalement, on doit prendre en compte au moins les éléments suivants: 1. Hauteur de la surélévation due au vent. 2. Hauteur des vagues dues à la force de cisaillement du vent. 3. Déferlement des vagues sur les parapets inclinés. 4. Revanche minimale supplémentaire pour imprévus.

Le choix final de la revanche est basé sur la prise en considération de la combinaison de ces facteurs, compte tenu du type de barrage, de sa hauteur, des conséquences d'une submersion et des risques encourus par les habitants vivant en aval (Bureau of Reclamation, 1977, pages 271-275).

4.6.7 Surélévation due au vent

Le vent soufflant à la surface de l'eau développe entre l'air et cette surface un effort de cisaillement qui provoque un écoulement d'eau dans sa propre direction. Pour des raison de continuité, cette eau doit revenir le long du fond sous l'influence du gradient de pression hydrostatique créé par la surélévation du niveau de l'eau sur la rive ou le parapet de la digue exposés au vent. La surélévation due au vent n'est autre qu'une accumulation d'eau le long du rivage causée par l'action du vent (OMM, 1974, page A32). Elle est fonction de la longueur libre du bief d'approche, de la profondeur de l'eau et de la vitesse du vent dans la direction perpendiculaire à la face amont du barrage. Il faut, pour que le phénomène se pro­duise, que des vents de vitesse élevée se maintiennent pendant des durées supérieures à une à six heures. Les vitesses du vent sont mesurées dans des stations situées à l'intérieur des terres et on doit les corriger pour tenir compte de l'influence du lac. Ces corrections cor­respondent à des majorations de 10 à 30% suivant la longueur du bief d'approche (Davis,1969, pages 4-18).

Le calcul de la longueur du bief d'approche est souvent basé sur une "longueur efficace" définie comme suit: on détermine une "ligne d'approche" dite primaire pour laquelle la dis­tance en eau libre entre un point de l'objectif (barrage ou autre) et la côte soit maximale; on considère un secteur de î 45° de part et d'autre de cette ligne, du côté du vent dominant; pour plusieurs points de la côte situés dans ce secteur (par exemple tous les 10°), on fait la somme de leur distance à l'objectif pondérée par le cosinus de l'angle que fait la direction

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correspondante avec la ligne d'approche primaire (U.S. Corps of Engineers, 1976, pages 11-14; USACERC, 1977, volume I, chapitre 3.4).

Des méthodes de calcul figurent aussi dans OMM (1974, pages A32 - A34); Dunn Christensen (1975); Flatcher (1976); Timmerman (1975) et VNIGG (1977). On peut également déterminer la surélévation due au vent en suivant les recommandations faites dans VNIGG (1977, page 166).

4.6.8 Hauteurs des vagues

La hauteur d'une vague est la distance verticale entre la crête et le creux avant le déferlement. Le spectre des hauteurs des vagues dues à l'effort de cisaillement de vents de différentes vitesses est très étalé. Le concept de "hauteur de vague significative" (H ) sert à traduire la hauteur moyenne de la tranche supérieure contenant 33% des vagues induites par une relation vitesse-durée-direction du vent spécifique. Pour une série d'observations, environ 13% des vagues auront une hauteur supérieure à H et la vague maximale de la série aura une hauteur d'environ 1 + 2/3 H . Voir Davis (1969, pages 4-20) et OMM (1974, page A33) pour les méthodes de calcul.

La hauteur et la période des vagues devraient être calculées en tenant compte des carac­téristiques des zones concernées suivant la classification:

- zone d'eau profonde - ayant une profondeur, H, supérieure à la moitié de la longueur moyenne des vagues en eau profonde: le fond n'a pas d'influence sur les caractéristiques principales des vagues;

- zone peu profonde - ayant une profondeur, H, comprise entre la moitié de la longueur moyenne des vagues en eau de profondeur moyenne et la hauteur critique des vagues: le fond affecte l'évolution des vagues et leurs caractéristiques principales;

- zone de ressac - ayant une profondeur comprise entre la hauteur critique des vagues et la hauteur qui est finalement obtenue dans l'in­tervalle qui sépare le début du déferlement de la disparition de la vague ,-

- zone de bordure - ayant une profondeur inférieure à la hauteur des vagues aux fins de déferlement: dans cette zone, un écoulement pro­venant des vagues détruites vient de temps à autre lécher le rivage.

Le calcul des vagues dans ces différentes zones, sous vent constant ou variable, peut être basé sur les recommandations qui figurent dans Gidrometeoizdat (1977, pages 174-196).

Quand les vagues se propagent en eau courante, on aurait intérêt à introduire des correc­tions sur les hauteurs et les longueurs calculées, en suivant les recommandations contenues dans VNIIG (1977, pages 306-307).

Lorsque le plan d'eau comporte une section contractée (avec B: largeur de la section con­tractée dans une direction perpendiculaire à l'axe du plan d'eau et D: longueur équivalente du bief d'approche), si B/D est inférieur à 0,25,1a hauteur et la longueur des vagues devraient être corrigées suivant les recommandations de Flather (1976, pages 308-309). Une méthode d'es­timation des caractéristiques statistiques des vagues, en cas de variation du niveau d'eau, a été mise au point en URSS (Kondratiev, 1972) .

4.6.9 Hauteur de déferlement des vagues

C'est la hauteur verticale atteinte par le courant, sur une surface inclinée, provenant du déferlement des vagues à proximité ou sur la berge ou le parement du barrage. La distance ainsi parcourue est directement proportionnelle à la hauteur et à la vitesse de la vague, à la pente de la berge, et inversement proportionnelle àla rugosité de la surface et au rapport de la hau­teur de la vague à sa longueur. La hauteur de déferlement peut atteindre de 1 à 2,5 fois la hauteur de la vague pour des surfaces lisses et environ 50% de ces valeurs pour des enrochements déversés en vrac. Voir Davis (1969, pages 4-21) pour les méthodes de calcul.

4.6.10 Cote du projet

C'est le niveau de référence de la surface de l'eau (plan d'eau ou ligne d'eau) auquel on ajou­te la revanche pour fixer définitivement le niveau du barrage ou de la digue. La "cote du projet" ou "niveau de référence" peut être basé sur une crue hypothétique telle que la "crue maximale probable" ou sur une approche statistique telle que le niveau atteint par une crue hypothétique qui représenterait, par exemple, un événement centennel ou millénnal.

La cote de projet peut également être déduite d'une averse de projet au en partant d'ana­lyses statistiques de séries de données longues durée (pas moins de 25 ans) observées en dehors

79

des périodes de gel, en tenant compte des fluctuations saisonnières et annuelles du niveau de l'eau sous l'influence du vent (VNIIG, 1977, pages 166-168).

La probabilité de la cote de projet adoptée pour un projet donné dépend du type et de la catégorie des ouvrages de protection des rives (VNIIG, 1977, page 165, tableau 90 (36)).

4.6.11 Caractéristiques du vent pour le projet

Quand on détermine les éléments des vagues et de la surélévation de l'eau dues au vent pour diverses catégories d'ouvrages, on peut choisir pour la vitesse du vent de projet diverses pro­babilités qui dépendent, à leur tour, de la probabilité choisie pour la cote de projet (VNIIG, page 168, tableau 92 (37)). Les calculs de la courbe de probabilité de la vitesse du vent et de sa distribution dans l'espace sont exposés dans VNIIG (1977, pages 168-174).

4.6.12 Circonstances diverses

On ajoute normalement 0,3 à 1,5 mètre pour tenir compte des facteurs inconnus et des erreurs d'estimation, suivant le niveau de référence de la revanche, du risque et de la hauteur de la digue, de la rive ou du barrage, et du type de l'ouvrage.

Dans quelques régions du monde, on met fortement l'accent sur l'analyse fréquentielle multidimensionnelle. Il est évident que l'action du vent et des vagues prend davantage d'im­portance lorsqu'elle se superpose à un niveau de référence élevé que si ce niveau reste bas ou moyen: les analyses de fréquence multidimenslonnelles, qui prennent en compte les distributions du niveau des lacs, la surélévation due au vent, les seiches et les vagues, peuvent faire inter­venir des corrélations internes. Les diverses combinaisons de ces composantes peuvent conduire à l'estimation d'un certain niveau dont on peut calculer la distribution de fréquence, afin de s'en servir pour l'évaluation du niveau de projet à adopter pour la digue ou le barrage. Toute­fois, la difficulté qu'on a à définir le degré d'interdépendance ou d'indépendance des facteurs conditionnels complique l'application de ces méthodes.

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Références (A commander à d'après le tableau 1.2)

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4.7 DETERMINATION DES LIGNES D'EAU

4.7.1 Introduction

On détermine une ligne d'eau en calculant l'altitude du plan d'eau en différents points le long du fleuve ou du cours d'eau. Il est souvent nécessaire, au cours de la planification des res­sources en eau et de la mise au point de projets d'aménagements, d'évaluer de façon quantitative les effets de ces aménagements sur les lignes d'eau, comme on peut le voir dans HEC (1971, sec­tion 2.04). Il n'existe pas de méthode générale de calcul qui puisse donner entière satisfac­tion dans tous les cas. Il s'ensuit que le choix d'une méthode de calcul adaptée à tel pro­blème particulier constitue un aspect important de la détermination des lignes d'eau.

4.7.2 Ecoulement unidimensionnel permanent

Un grand nombre de problèmes concernés par l'écoulement dans les cours d'eau, les canaux ou autres voies d'eau, peuvent être résolus en utilisant des méthodes basées sur la théorie de l'écoulement unidimensionnel permanent (par exemple: calcul des niveaux d'eau pour des projets de digues, canaux évacuateurs de crues, etc...). Les lignes d'eau dans les canaux prismatiques peuvent être calculées en utilisant des méthodes d'intégration directe telles que la fonction de Bresse ou la fonction de Bakkmeteff pour l'écoulement varié. Ces techniques sont exposées, ainsi que d'autres, dans Chow (1959, chapitre 10) et Henderson (1966, chapitre 5). la méthode la plus générale pour déterminer des lignes d'eau en régime permanent est celle du "pas stan­dard" dont on trouvera également une description dans Chow (1959, chapitre 10).; Rouse (1950, chapitre 9); Sokolov (1976, chapitre 6) et Henderson (1966, chapitre 5). HEC (1975, chapitre 6) donne un exemple de calcul de lignes d'eau dans le cas de profils en travers complexes au moyen d'une calculette ou d'une règle à calcul. Cette technique est suffisamment répétitive et com­plexe pour bien s'adapter au calcul par ordinateur. On dispose pour cela de plusieurs program­mes de calcul, tels que HEC-2 (HEC, 1979; HEC, 1971). Bien que ces programmes utilisent la même logique de base, ils diffèrent notablement par leurs possibilités annexes telles que le calcul des lignes d'eau au passage d'un pont, le réglage automatique, l'évaluation de l'empiéte­ment du chenal, les sorties graphiques, et l'utilisation en interactif. Eichert (1970) donne une comparaison de plusieurs des programmes de calcul. Une méthode graphique performante est exposée dans Kouwen (1977).

4.7.3 Ecoulement unidimensionnel variable

La théorie de 1'écoulement unidimensionnel variable en chenal découvert a été établie il y a plus de 100 ans. Elle est exposée dans Chow (1959, partie V), HEC (1975, chapitre 7), Mahmood (1977). L'application de la théorie complète à des problèmes pratiques exige une base de don­nées suffisante et un ordinateur. Avant l'avènement des ordinateurs, de nombreuses méthodes approchées avaient été mises au point et elles sont encore largement utilisées. Elles sont exposées dans la section 25-11 de Chow (1964).

4.7.3.1 Méthodes hydrologiques ; Les méthodes hydrologiques de propagation citées dans le sous-chapitre 4.5 peuvent être utilisées pour calculer les débits en des points intéressants; à partir de ces débits, on peut calculer les niveaux de la surface de l'eau par la méthode du pas standard. C'est sans surprise, relativement bon marché et d'usage courant. Des détails sur les calculs qu'elles entraînent sont donnés dans Chow (1964, section 25-11). Ces méthodes s'adaptent mal aux événements qui comportent des effets dynamiques importants, tels que les à-coups de la production hydraulique, et ne doivent pas être utilisées dans les cas où il y a des inversions de courant.

4.7.3.2 Utilisation des équations incomplètes de l'écoulement en régime variable (Equations de Saint-Venant). On peut également obtenir des solutions approchées aux problèmes d'écoulement variable en simplifiant les équations de base. On en trouve des exemples dans l'"analogie de la diffusion" et dans l'"onde cinématique". Quand on utilise ces méthodes, on doit prendre certaines précautions pour éviter des erreurs d'application. Il n'existe pas de programmes généraux de calcul pour les appliquer à la détermination des lignes d'eau dans les chenaux; la méthode de l'onde cinématique a toutefois été utilisée avec succès dans le calcul des courants d'inondation. On trouvera des détails sur les calculs relatifs à ces méthodes dans Mahmood(1975, chapitre 5) et Henderson (1966, chapitre 9).

4.7.3.3 Utilisation des équations complètes de l'écoulement en régime variable. Les méthodes les plus générales de détermination des lignes d'eau dans l'écoulement variable en chenal découvert sont basées sur les équations complètes traduisant la théorie de ce type

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d'écoulement. Cependant, ce caractère de généralité est obtenu au prix de la complexité des calculs. Ces méthodes requièrent donc l'usage d'un ordinateur à grande vitesse de calcul. Les événements qui comportent des effets dynamiques importants (tels que l'onde de crue produite par la rupture d'un barrage), des inversions de courant, et les crues d'orage, constituent des exemples de la grande classe des problêmes dont la solution passe par l'utilisation des équa­tions complètes. La solution des équations complètes fournit des chroniques aussi bien de dé­bits que de hauteurs d'eau, dans le bief étudié. Les méthodes énumérées ci-dessous diffèrent avant tout par l'algorithme utilisé pour la résolution des équations. On en trouvera des dé­tails dans Mahmood (1975, chapitres 3 et 4); Henderson (1966, chapitre 8); Delft (1970) et Vedernikov (1977).

a - Méthodes des caractéristiques

Cette méthode est bien adaptée à la fois à l'écoulement hypocritique et à l'écoulement hyper-critique et fournit, théoriquement, des résultats de grande précision. On ne la trouve pour­tant pas en programme de calcul largement diffusé. On devrait y penser quand on a à traiter des problèmes d'écoulement variable hypercritique dans des chenaux prismatiques.

b - Schémas explicites

Des programmes de calcul généraux, basés sur un schéma de solution explicite, sont disponibles et leur usage est largement répandu (HEC, 1977). Par suite du grand volume de calculs exigé par cette méthode, des contraintes d'ordre économique peuvent limiter la longueur de la période sur laquelle il est possible de simuler le comportement de la ligne d'eau.

c - Schémas implicites

Des programmes de calcul généraux, basés sur un schéma de solution implicite, sont devenus opé­rationnels depuis peu (voir Fread, 1973; Abbott, 1973; Vasiliev, 1965 et Fread, 1978). L'utilisation de ces schémas devrait être plus économique que celles des schémas explicites pour les simulations sur de longues périodes et sur de grandes longueurs de cours d'eau (plusieurs centaines de km et plus).

d - Méthodes des éléments finis

On peut trouver, depuis quelque temps au moins, un programme de calcul général (HEC, 1978). Les programmes de cette catégorie ont beaucoup de points communs, du point de vue de leur fonction­nement, avec les schémas implicites.

4.7.4 Ecoulement permanent et variable à deux dimensions

Les calculs concernant la géométrie de la surface de l'eau et les chroniques qui en représentent l'évolution, n'ont pas fait l'objet d'une mise au point de méthodes générales. Bien que la théorie hydrodynamique soit bien connue, le comportement des différentes stratégies mises en oeuvre pour obtenir les solutions est encore du domaine de la recherche. Des problèmes particu­liers peuvent être étudiés si la dépense entraînée par l'utilisation d'un expert est justifiée (Mahmood, 1975, chapitre 17 à 18).

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Références (A commander à d'après ie tableau 1.2)

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* Reference de 1er ordre en anglais ; J Photocopies seulement *'' Pas de tires a part; les numei, '*' Photocopies seulement à 7.30$US

\ { Photocopies seulement v ' Pas de tires a part; les numéros de la revue coûtent environ 10$US

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4.8 BASES HYDROLOGIQUES POUR LA DETERMINATION DE LA CAPACITE DE STOCKAGE D'UN RESERVOIR

4.8.1 Introduction

Le but des réservoirs d'accumulation est de redistribuer les apports des cours d'eau pour at­teindre dans les meilleures conditions certains objectifs économiques ou sociaux. Le problème global de la conception d'un réservoir est donc du domaine de l'aménagement des ressources en. eau et sa solution relève des techniques et des méthodes de l'analyse des systèmes. De telles analyses doivent prendre en compte les conséquences de l'aménagement sur le régime des eaux, sur l'économie, sur les aspects sociaux et sur l'environnement.

Dans le cas d'un réservoir à buts multiples, la répartition type de la réserve comporte une tranche pour l'atténuation des crues, une tranche pour la consommation, une tranche pour la pro­duction d'énergie électrique, une tranche en prévision de la sédimentation et un culot (tranche inactive). Un réservoir à but unique peut être considéré comme un cas particulier d'un réser­voir à buts multiples. Bien que quelquefois elles soient physiquement inséparables, il est d'usage de faire la distinction entre les différentes tranches de réserve. Dans chacun des cas, la détermination de la réserve nécessaire fait appel à des données hydrologiques quelque peu différentes.

Il y a deux approches fondamentales pour la mise au point des données hydrologiques néces­saires à ce genre d'étude. On peut soit les tirer d'observations réelles, soit les faire fabri­quer par un modèle mathématique conçu pour tâcher de simuler les apports au réservoir. Le mode d'approche choisi dépend en général de la disponibilité en données sur l'écoulement des cours d'eau.

Les consignes d'exploitation d'un réservoir, qui sont traitées dans le sous-chapitres 4.9, ont une influence directe dans la détermination de la capacité de stockage qui fait l'objet du présent chapitre.

4.8.2. Stockage pour la protection contre les crues

La détermination de la capacité de stockage réservée, dans un projet de réservoir, à la protec­tion contre les crues fait appel à des analyses hydrologiques qui dépendent elles-mêmes de la manière dont le projet est formulé (cahier des charges). Si les critères de formulation du projet (cahier des charges) sont en eux-mêmes hors du sujet du présent rapport, les principes directeurs de cette formulation sont en général que le projet doit être justifié sur le plan économique (justification basée sur une analyse coût/bénéfice), qu'il devrait être conçu, du point de vue pratique, pour obtenir un bénéfice économique net maximal et qu'il ne devrait pas accroître de façon significative les risques dus aux crues, pour toute crue excédant la capaci­té de stockage adoptée lors de l'élaboration du projet (voir U.S. Department of the Army (1975a et 1975b); Kritzky ^1950); pages 53-58 de UN (1955); page 261 de James (1971); et pages 30-31 de Davis (1969).

Dans l'exposé des méthodes hydrologiques qu'on trouve dans la littérature professionnelle, le degré de protection qui doit être assuré par un réservoir (et qui est choisi à partir des critères fournis par le cahier des charges) est en général supposé connu. En pratique, cepen­dant, on étudie plusieurs degrés de protection et les projets correspondants sont comparés aux exigences du cahier des charges avant d'arrêter définitivement la taille de l'aménagement, dont découle le degré de protection. Ce qu'on appelle ainsi le "degré de protection" ne devrait pas nécessairement se rapporter aux conditions immédiatement en aval du réservoir, puisqu'il est nécessaire de prendre en compte les effets des différents dimensionnements de ce réservoir en tout point situé à l'aval.

Les méthodes hydrologiques pour l'évaluation d'un stockage destiné à la protection contre les crues se classent en quatre catégories fondamentales:

1 - Etude détaillée du laminage (en supposant une capacité de stockage illimitée) pour déterminer le stockage qui serait nécessaire à la protection contre les crues historiques (voir page 3-10 de HEC (1971)). Un graphique de la valeur de la tranche de stockage réservée aux crues, en regard de la fréquence de la crue, indiquerait, par exemple, la capacité de stockage nécessaire au laminage d'une crue centennale permettant d'obtenir à l'aval des débits non dommageables.

2 - Etude détaillée du laminage pour toutes les principales crues connues et pour une capacité de stockage réservé constante, afin de déterminer le débit régularisé (et peut-être les dommages des crues) à travers le bassin. La capacité de stockage utilisée pour la simulation du laminage devrait correspondre à différents degrés de protection aux différents points aval. Ainsi, la somme des dommages annuels auxquels

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on peut s'attendre pourrait servir à choisir la capacité de stockage optimale pour assurer la protection contre les crues, en se basant sur la maximisation des bénéfices nets (voir Eichert, 1976 et pages 258-267 de James, 1971).

3 - Etude détaillée du laminage de quelques crues choisies historiques et/ou synthétiques, et de multiples de ces crues, afin de calculer les dommage annuels auxquels on peut s'attendre pour différentes capacités du stockage réservé à la protection contre les crues (voir chapitre 4 de HEC, 1976 ou page 9 de HEC, 1979).

4 - Méthode de la crue de projet, dans laquelle on construit un hydrogramme de crue caractéristique (tel que celui d'une crue centennale). La crue de projet doit respecter la répartition statistique de chaque volume écoulé correspondant à une durée donnée: c'est-à-dire que le débit de pointe, les volumes écoulés en 1 jour, 3 jours, 10 jours, 30 jours, de cette crue doivent correspondre à la fréquence, par exemple centennale, retenue pour la crue de projet (page 3-02 de HEC, 1971, et chapitre 3 de HEC, 1975a). On simule un laminage (voir page 3-02 de HEC, 1971, page 87 de Klemes, 1973) en prenant comme hydrogramme d'entrée celui de la crue de projet.

S'il existe des méthodes abréqées qui ne mettent pas en jeu une simulation détaillée du laminage, elles sont rarement valables car on ne peut pas, quand on les applique, prendre en compte l'influence sur les lâchures des débits à l'aval du barrage, ni les différentes contraintes inhérentes aux règles d'exploitation, telles que le taux de variations des lâchures.

Quand il n'est pas prévu d'équiper l'évacuateur avec des vannes pour contrôler les lâ­chures, la simulation complète du laminage (conditionné par les inondations à l'aval), qui est normalement requise (voir les exemples 2 de l'appendice 1 de HEC, 1976, ou 2 de HEC, 1979), se trouve grandement simplifiée du fait que le débit de sortie est alors une fonction biunivoque du volume stocké. On peut dans ce cas utiliser des techniques telles que la méthode modifiée de Puis (voir chapitre 3 de HEC, 1976, ou pages 25-38 de Chow, 1964) .

Lorsqu'on dispose de suffisamment de temps et d'argent pour les études, on peut utiliser à la fois les méthodes 1 et 2. Quand les bassins étudiés sont très grands devant l'étendue des averses types de la région, le centrage aléatoire d'unnombre limité d'averses historiques peut introduire un biais excessif dans les résultats de l'analyse fréquentielle: Dans ce cas, on devrait faire intervenir d'autres centrages tout aussi vraisemblables ou peut-être utiliser une pluie excédentaire uniformément répartie sur le bassin, comme on l'indique dans la méthode 3. Cette dernière méthode peut toutefois sous-estimer les besoins en capacité de stockage pour la protection contre les crues si la capacité de débit de chenal est faible en comparaison des volu­mes stockés dans le réservoir et que la tranche de stockage réservée à cet usage ne puisse se vider avant que survienne une nouvelle crue.

Quand un réservoir doit servir à la fois à la protection contre les crues et à la fourni­ture d'eau, l'étude doit tenir compte d'une variation saisonnière des besoins en stockage. Dans la plupart des cas, le calendrier des grandes crues et des pointes dans les demandes d'eau, permet d'augmenter les bénéfices par la prise en compte d'une tranche de réserve variable, pour la protection contre les crues, au cours de l'année.

La méthode 4 est uniquement destinée à l'analyse préliminaire du fonctionnement de réser­voirs isolés lorsque les fonds sont limités et que la protection à obtenir se limite à une zone proche du barrage.

Par suite de l'importance du laminage dans la détermination des tranches de stockage des­tinées à la protection contre les crues, il est particulièrement utile de disposer de programmes de calcul pour réduire le coût des études et étudier différentes solutions. Lorsque les évacua-teurs ne comportent pas d'organes de contrôle des lâchures, on peut utiliser des programmes de calcul tels que le HEC-1 (voir HEC, 1978) et le HEC-5 (voir HEC, 1979). Quand l'évacuateur com­porte des vannes, les lâchures dépendent des débits au droit des sites aval menacés et on doit employer des programmes tels que HEC-5. Pour l'étude d'un système de protection comportant plu­sieurs réservoirs, l'emploi d'un ordinateur est quasiment indispensable.

4.8.3 Stockage pour la fourniture d'eau

On traitera dans cette section de la détermination des besoins en stockage pour tous les pro­blèmes de fourniture (à l'exception de la production hydro-électrique traitée dans la section 4.8.4). Les objectifs suivants se trouvent concernés lorsque les demandes qui leur sont propres peuvent s'exprimer en termes de lâchures à partir d'un réservoir: alimentation en eau, irriga­tion, production électrique, contrôle de pollution, soutien des basses eaux, pêche et vie aqua­tique et loisir s (lâchures pour les sports aquatiques tels que le canoé et le flottage). Une telle détermination doit combiner les méthodes hydrologiques et les exigences du cahier des charges de l'aménagement.

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Les principes de base exposés pour la protection contre les crues, en matière de cahier des charges, sont également applicables aux problèmes de fourniture, en ce que les projets devraient avoir une justification économique et être conçus du point de vue pratique pour obtenir un béné­fice économique net maximal tout en assurant une garantie raisonnable d'alimentation en eau à partir du réservoir.

Le problème de cette garantie est tout à fait subjective et on procède de différentes maniè­res pour essayer de définir ce critère. Le critère qui est peut-être le plus communément appliqué est que la fourniture contractuelle doit être assurée sans défaillance durant la pério­de sèche la plus critique de débits disponsibles (voir section 5.06 de HEC, 1975b et page 4-15 de Davis, 1969). Un autre critère admet des pénuries avec, disons, des probabilités de 1 ou 2%; un autre critère, l'indice de pénuries, se base à la fois sur la fréquence et la durée des pénu­ries (ou restrictions) (voir section 5.07 de HEC, 1975b). En plus de la sûreté de la fourni­ture et des facteurs économiques, on pourrait également prendre en compte d'autres facteurs tels que le marnage dans la retenue (intéresse les loisirs), les impacts sur l'environnement, la pêche et la vie aquatique.

Les étapes à suivre dans la détermination des exigences en volume de stockage pour l'ali­mentation en eau et 1 ' irrigation comprennent (voir page 4-15 de HEC, 1971 et chapitre 2 de HEC, 1977a): a - Mettre au point un critère de restriction tolerable pour chaque objectif du projet

(voir page 5.18 de HEC, 1975b). b - Adopter un pas de temps pour la simulation de la propagation dans le réservoir

(mois, semaine, jour ou heure) (voir page 5.01 de HEC, 1975b). c - Déterminer et/ou ajuster les apports liquides au réservoir en utilisant des

données historiques ou des débits synthétisés par un processus stochastique (voir chapitre 4 et page 3.01 de HEC, 1975b).

d - Estimer les pertes mensuelles par évapotranspiration et 1'evaporation mensuelle dans les conditions de la retenue (voir section 3.02 de HEC, 1975b; pages 39-47 de Lopatin, 1965; et Sokolov, 1974).

e - Déterminer les répartitions saisonnières des demandes et les exigences totales annuelles pour chaque objectif (voir page 3.11 de HEC, 1975b).

f - Etablir un plan provisoire d'exploitation en tenant compte du contrôle de la crue et de la sédimentation dans le réservoir aussi bien que des demandes en fourniture,

g - Déterminer le volume de tranche de réserve pour la fourniture d'eau (étude réserve-apports) , capable de satisfaire aux critères (a) et aux demandes saisonnières établies en (e), en utilisant les débits entrant (c), les pertes (d) et le plan d'exploitation (f). Il s'agit d'un procédé itératif puisque la simulation ne peut être entreprise qu'en se fixant au départ une valeur du volume de stockage nécessaire, paramètre dont la détermination est justement le but de la simulation et puisque le niveau le plus bas atteint lors de la simulation devrait correspondre .à l'épuisement de la tranche de réserve prévue pour la fourniture d'eau (voir chapitre 6 de HEC, 1975b).

h - Examiner les résultats de la simulation pour vérifier que les critères correspondant à chacun des objectifs de l'aménagement sont bien respectés, pour tous les aménage­ments concernés par l'étude; modifier éventuellement les paramètres et recommencer jusqu'à obtention d'une solution satisfaisante.

Pour l'analyse du fonctionnement des réservoirs, on utilise presque toujours des débits tirés de données observées à des stations voisines. Quand il n'y en a pas, on utilise souvent des relations pluies-débits, des modèles mathématiques ou des méthodes statistiques pour cons­tituer les débits manquants (voir page 4-15 de Davis, 1969, et page 3.01 de HEC, 1975b).

L'utilisation de chroniques de débits synthétiques constitue une approche pleine de pro­messes pour se procurer une meilleure base d'apports moyens, puisq'on met en jeu différentes séquences de débits qui se sont produites dans des conditions historiques (voir Fiering, 1967). Bien que la base philosophique de cette méthode et sa théorie aient été établies, que des méthodes de calcul aient été mises au point, il faudra encore pas mal de travail, en particulier sur l'élaboration de méthodes particulières, pour que cette approche puisse être considérée comme totalement opérationnelle dans toutes les conditions (voir page 4-7 de Davis, 1969 et chapitre 4 de HEC, 1975b).

Au cours de la dernière décennie, on a vu paraître une abondante littérature sur l'établis­sement de chroniques de débits synthétiques. Pour la plupart, les méthodes sont basées sur l'utilisation de processus à courte mémoire représentant approximativement le comportement sta­tistique de débits. On a introduit plus récemment des processus à longue mémoire pour rendre compte d'un effet de persistance à long-terme dont l'existence apparaît à l'évidence dans de nombreuses chroniques historiques de débits. D'excellentes mises au point sur l'utilisation des processus à courte mémoire.pour établir des chroniques de débits synthétiques, particulière-, ment des processus de type markovien, se trouvent dans Fiering (1971) et Svanidze (1977) .

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Les procédés utilisés pour établir la relation stockage-apports à un site de barrage potentiel, peuvent se diviser en deux grands groupes: (1 analyse simplifiée et (2) analyse séquentielle détaillée (simulation). Les méthodes simplifiées ne donnent en général satisfac­tion que pour des études préliminaires ou de faisabilité. Des méthodes détaillées sont généra­lement exigées pour la conception des projets et l'élaboration des plans (voir section 2.01 de HEC, 1975b). De nombreuses méthodes simplifiées ont été et sont encore utilisées pour des étu­des préliminaires; cependant, ces méthodes sacrifient souvent la précision en vue de gagner du temps et de l'argent. Celle qu'on utilise le plus communément consiste à établir une courbe des débits cumulés; elle est souvent connue sous le nom de méthode de Rippl (voir section 6.01 de HEC, 1975b, page 4-11 de Davis, 1969, et page A.10 de WMO, 1974). Cette méthode ne fournit pas directement la fréquence relative de défaillance. Cependant, en utilisant une méthode non séquentielle, on peut établir une courbe des apports en regard de la fréquence de défaillance (voir section 6.02 de HEC, 1975b). Une méthode simplifiée non graphique, quelque peu sembable à la méthode de Rippl, est celle du "sequent peak" (Fiering, 1967, pages 38-42).

Les méthodes séquentielles détaillées peuvent se diviser en méthodes de simulation et en méthodes de programmation mathématique: En simulation, la plus répandue des méthodes détaillées, on simule le fonctionnement du système physique lui-même et notamment la propagation des débits à travers le réservoir. Dans ce genre d'étude on s'efforce en général de reproduire très fidè­lement les variations spacio-temporelles des débits et du volume stocké dans le réservoir, dans un système regroupant le cours d'eau et le réservoir. On y parvient par une comptabilité assez complexe qui prend en compte le plus possible d'apports et de prélèvements significatifs. En programmation mathématique, le but est de mettre au point un modèle mathématique qui soit capa­ble de fournir une analyse du système physique sans reproduire exactement la succession des événements.

La principale limitation de l'analyse séquentielle provient de ce que le modèle est en général réglé en utilisant des données historiques et, à moins que l'utilisateur n'y prenne spécialement garde, des événements passés peuvent biaiser les résultats de façon excessive (voir section 2.01 de HEC, 1975b).

Dans le passé, les études détaillées de propagation séquentielle ont été utilisées presque exclusivement pour la mise au point de plans d'exploitation, pour des réservoirs ou des systèmes de réservoirs existants ou en projet. Par ailleurs, les études préliminaires pour la planifica­tion étaient presque entièrement basées sur des méthodes simplifiées. Cependant, l'avènement du concept de planification intégrée du bassin, l'accroissement de la demande pour une utilisa­tion plus efficace des ressources en eau, et l'importance prise par l'eau dans les objectifs des différents projets, débouchent sur un besoin affirmé d'introduire les méthodes détaillées de propagation séquentielle dans toutes les études de planification. Pour les systèmes de réservoir, les méthodes simplifiées sont en général inadaptées, même au stade de l'étude prélimi­naire de projets particuliers, à cause de l'incapacité des meilleures d'entre elles à prendre en compte le fonctionnement d'un système hydrologiquement intégré. Afin de tirer le meilleur béné­fice de l'aménagement des ressources en eau, le planificateur et l'ingénieur hydrologue doivent concourir, au stade de la planification, à l'élaboration d'un plan d'exploitation qui permette la gestion efficace d'un réservoir et l'utilisation économique de toute l'eau disponible. L'utilisation sur ordinateur de méthodes détaillées de propagation séquentielle dans les études hydrologiques pour la planification,s'est montrée un outil utile pour atteindre ces objectifs (HEC, 1979; Eichert, 1976 et 1979; et Hveding, 1976).

Des exemples détaillés d'analyse séquentielle sont donnés dans la section 6.03 de HEC (1975b), la section 4-12 de Davis (1969), et page A.11 de WMO (L964).

Lorsque deux ou plusieurs réservoirs fonctionnent -comme un système pour répondre à des demandesde fourniture, on doit mettre au point des règles supplémentaires d'exploitation du système, ce qui n'est pas possible avec des méthodes simplifiées. On trouvera des indications à ce sujet dans la section 2.8 de HEC (1977a). Par suite des interrelations entre réservoirs, l'analyse séquentielle est le procédé le plus couramment accepté pour l'établissement de ces règles (ou consignes) d'exploitation. On en trouvera des exemples dans le chapitre 3 de HEC (1977a).

L'importance des calculs rend hautement souhaitable l'usage d'ordinateurs, bien que nombre de ces études aient pu être menées à bien en calculant à la main. Des modèles généraux pro­grammés sur ordinateur pour effectuer ce genre d'analyses sont disponibles, tels que le modèle HEC-3 (voir HEC, 1974) qui simule la fourniture d'eau au pas de temps mensuel et le modèle HEC-5 (voir HEC, 1979) qui travaille aussi bien pour le contrôle des crues que pour la fourni­ture d'eau avec des pas de temps variant de une heure à un mois.

4.8.4 Stockage pour la production hydro-électrique

La plupart des procédés de détermination des exigences en volume de stockage pour d'autres objectifs de fourniture (voir les étapes particulières proposées dans la section 4.8.3) peuvent

89

aussi servir pour les études hydro-électriques. Il s'y ajoute quelques opérations supplé­mentaires spécifiques de ce genre d'étude (voir pages 5.15 - 5.18 de HEC, 1975b). Le princi­pal paramètre demandé est le volume de stockage exigé pour satisfaire à des demandes en énergie données ou, inversement, la quantité d'énergie qu'on peut obtenir à partir d'un volume de stockage donné,et sa répartition dans le temps. De plus, les éléments qui suivent doiventaussi être déterminés pris en compte et utilisés (les trois premiers sont généralement fournis à l'hydrologue): 1 - Courbe de charge pour la région qui doit être desservie par le réservoir, basée

sur l'estimation de la demande future en énergie (voir page 5.09 de HEC, 1971). 2 - Demande particulière en énergie à laquelle l'aménagement doit satisfaire (en

général, répartition mensuelle) ou, dans quelques cas, puissance garantie et demande minimale (voir page 5.10 de HEC, 1971).

3 - Degré d'équipement de l'usine (rapport de la production moyenne de l'usine, pour sa période de fonctionnement, à la production maximale possible) qu'on pourrait adopter pour l'aménagement.

4 - Niveau minimal de la retenue permettant de satisfaire d'autres objectifs de l'aménagement, tels que pêche et vie aquatique, loisirs et volume réservé à la sédimentation(voir sections 4.8.5 et 4.8.6 du présent rapport) et de maintenir une charge suffisante pour assurer un rendement raisonnable de l'usine sur la gamme totale des niveaux de la retenue auxquels on peut s'attendre.

5 - Energie annuelle garantie, production d'énergie moyenne annuelle et puissance garantie.

La différence essentielle, du point de vue hydrologique, entre la simulation pour l'éner­gie hydro-électrique et pour les autres objectifs d'un aménagement, est que la quantité d'eau requise dans un intervalle de temps donné est fonction de deux variables indépendantes: la demande en énergie et la hauteur de chute nette. Pour préciser, elle est une fonction direc­te de la demande d'énergie et une fonction inverse de la chute.

La relation entre la chute, le débit et l'énergie produite est donnée par l'équation de la puissance hydro-électrique (voir page 5.12 de HEC, 1971 et page 24.7 de Davis, 1969). Pour évaluer le débit total à la sortie de l'aménagement, il faut tenir compte des infiltrations à travers le barrage, aussi bien que des pertes de charges à travers la prise d'eau, la turbine et la restitution. La cote de la restitution (voir page 5.15 de HEC, 1971) est aussi très importante pour l'étude de l'énergie fournie puisque un mètre de perte sur la charge peut se traduire par une perte économique importante. En conséquence, il peut être nécessaire d'étu­dier de façon détaillée le comportement du plan d'eau au site de restitution dans les condi­tions naturelles et une fois l'aménagement réalisé. Les grandes variations imposées aux lâchures pour satisfaire les demandes de pointe peuvent entraîner une érosion sévère des berges et exiger des études pour dimensionner le réservoir d'un barrage de compensation et évaluer son influence sur les cotes de restitution.

D'autres études relatives à l'exploitation du système de production (voir section 5.08 de HEC, 1971) et aux règles d'exploitation (section 2.8 de HEC, 1977a) sont brièvement exposées dansHEC (1971), section 6.04 et Pleshkov (1975).

On peut trouver plusieurs modèles sur ordinateur pour simuler le fonctionnement d'usines hydro-électriques dans des aménagements comportant des réservoirs. La plupart des modèles généraux disponibles utilisent un pas de temps fixe mensuel (tel le modèle HEC-3, voir HEC, 1974). En Norvège et dans plusieurs pays, les projets de réservoirs utilisent principalement des modèles travaillant avec un pas de temps hebdomadaire (voir Hveding, 1976). Quand on ne dispose pas d'un stockage suffisant pour absorber les baisses de production, il faut faire appel à des méthodes basées sur la courbe des débits classés pour lesquelles on doit utiliser les débits journaliers. Le modèle général HYDUR (HEC, 1980b) utilise ces méthodes.

De nombreux modèles construits pour des sites particuliers sont exposés dans la littéra­ture technique, mais ne sont guère utilisables pour d'autres sites. Bien qu'il ait été mis au point pour un système particulier, le modèle SSAR du U.S. Army Corps of Engineers (1975) a été généralisé et largement utilisé comme modèle de prévision et de régularisation dans des études d'élaboration de projet et d'exploitation pour l'aménagement des bassins; on l'utilise en conjonction avec plusieurs modèles de production d'énergie.

Un modèle général, HEC-5, qui permet une simulation à pas de temps de courte durée à des fins de production d'énergie et de contrôle des crues, a été mis au point par le Centre d'In­génierie Hydrologique du U.S. Army Corps of Engineers (Eicherts, 1979, HEC, 1979 et HEC, 1980a). Le modèle HEC-5 permet d'utiliser n'importe quel pas de temps compris entre 1 heure et 1 mois et de mélanger des pas de temps de façon à pouvoir prendre un pas de temps mensuel ou hebdoma­daire pendant les périodes sans crue, et un pas de temps horaire ou de quelques heures pour les périodes de crue.

90

4.8.5 Réserve de stockage pour les sédiments

Dans tout projet de réservoir, il convient de réserver un certain volume de stockage pour l'ac­cumulation des sédiments qui a une influence sur les niveaux maximaux atteints aussi bien pour l'alimentation en eau que pour le laminage des crues; la détermination de ce volume passe par une estimation du volume des dépots et de leur répartition, durant la vie de l'aménagement. Dans les étapes préliminaires du projet, on se contente normalement d'une estimation globale du volume de sédiments. Dans une phase d'études plus avancée, il convient d'estimer séparément les dépôts qui se produisent pendant le laminage des crues et ceux qui se font lors de 1'exploi­tation normale du réservoir. Dans la phase finale des études hydrologiques, on doit procéder à une étude de la répartition des dépôts dans le réservoir débouchant sur de nouvelles courbes de remplissage établies à 1 ou 2 intervalles durant la vie prévue pour le projet (par exemple au milieu et à la fin de cette vie): des procédés d'estimation sont exposés dans le chapitre 5 de HEC, 1977b, et à partir de la page 4-3 de Davis, 1969) .

Baur déterminer le volume total des dépôts, il faut estimer (1) les matériaux entrant dans le réservoir, (2) l'efficacité du captage de ces matériaux par le réservoir, et (3) la densité des dépôts (voir page 4-6 de Davis, 1969). L'estimation de l'apport en matériaux,qui se compose de la charge en suspension et de la charge de fond, présente les plus grandes possibilités de variations, aussi bien dans les méthodes que pour les résultats. Il est en général trop dif­ficile d'obtenir des observations sur la charge de fond qui ne représente normalement qu'un faible pourcentage de la charge totale; c'est pourquoi la charge de fond fait normalement l'ob­jet d'une estimation au juger et s'exprime en pour cent de la charge en suspension (voir page 4-3 de Davis, 1969). Dans les cours d'eau de montagne à forte pente, la charge de fond peut toutefois représenter une fraction importante de la charge totale et on peut l'estimer en utilisant les formules qui figurent dans les page 190 - 230 de Vanoni (1975), dans Gidrometeoiz-dat (1973), et Karaushev (1977). Pour la charge en suspension, on emploie plusieurs méthodes telles que (voir aussi Appendice 3 de HEC, 1977b): 1. Utilisation des données d'observation (charge moyenne). 2. Calcul à partir de la courbe des transports solides classés, déduits d'une relation avec

les débits' liquides. 3. Estimations à partir du débit solide spécifique d'un bassin. 4. Estimation de l'érosion.

On trouvera un exposé d'ensemble donnant le champ d'application de ces méthodes dans les pages 4-3 à 4-8 de Davis (1969). L'analyse à partir de la courbe des transports solides classés, déduits d'une relation avec les débits, est peut-être la plus souhaitable en ce qu'elle permet de prendre en compte toute la période d'observation des débits. Un exemple est donné en page 4-6 de Davis (1969).

Quand on ne dispose pas de mesures de débit solide, on peut estimer la charge solide à partir nés apports de matériaux par unité de superficie du bassin versant, comme on l'explique en page 4-4 de Davis (1969) , page 4-12 de HEC (1977b) et pages 359 - 370 de Lopatin (1965).

L'efficacité du captage des matériaux par le réservoir peut être estimé par les méthodes exposées en section 5.03de HEC, 1977b, pages 4-4 à 4-6 de Davis, 1969, page 17-21 de Chow, 1964, page 337 de Lopatin, 1965 et Karaushev, 1977. Dans l'Appendice 4 de HEC (1977b), on expose une méthode qui permet de mettre au point une courbe d'efficacité de captage, à partir de données d'observation.

La densité des dépôts peut être déterminée par la méthode exposée dans Davis (1969) (voir page 4-7) ou par les techniques données dans Lopatin (1965, pages 314 - 327).

Les quantités de dépôts auxquelles on peut s'attendre lors du fonctionnement en contrôle de crues peuvent être estimées par les méthodes exposées dans la section 5.05 de HEC (1977b) en se basant sur le temps pendant lequel le réservoir fonctionne de cette manière.

L'approche traditionnelle d'analyse de la répartition des dépôts à 1'intérieur du réservoir est basée sur des méthodes empiriques qui supposent une simplification considérable du problème physique réel. On peut voir dans la section 5.06 et l'Appendice 5 de HEC (1977b) les nombreuses faiblesses des méthodes empiriques actuelles. Un procédé plus analytique conçu pour des réser­voirs profonds utilise le programme de calcul exposé dans l'Appendice 6 de HEC (1977b). Un autre autre modèle, HEC-6, qui est d'un grand secours pour la détermination de 1'affouillement et de la sédimentation à la fois dans les fleuves et les réservoirs, est particulièrement utile dans l'estimation des dépôts dans les réservoirs (voir Appendice 7 de HEC, 1977b, et HEC, 1977c).

4.8.6 Réserve morte

Dans un projet de réservoir, on peut être amené à ménager une réserve morte (ou inactive) dans un ou plusieurs buts, tels que (1) une étendue d'eau minimale pour les loisirs, (2) une charge minimale en production hydroélectrique, (3) une réserve provisionnelle pour la sédimentation future

91

(4) une étendue d'eau minimale pour le maintien de la pêche et de la vie aquatique, (5) pour la navigation dans le réservoir ou (6) une réserve minimale pour la qualité, de l'eau dans le réservoir (voir Pleshkov, 1975). En règle générale,on ne doit pas effectuer dans un réservoir de prélèvement destiné à une fourniture en-dessous du niveau correspondant à la réserve morte, ce niveau pouvant toutefois varier avec la saison.

Les méthodes de détermination de la réserve morte ne sont pas très documentées, sauf dans des rapports concernant des projets précis. Un procédé qu'on utilise quelquefois dans des études préliminaires consiste à attribuer à la réserve inactive un volume qui soit égal ou -supérieur à la tranche de stockage réservée pour les futurs dépôts, la surface de ces sédiments étant sup­posée horizontale. Si cette hypothèse ne permet pas de satisfaire les loisirs, la pêche et la vie aquatique, etc..., on peut augmenter la taille de la réserve morte. Les coûts additionnels qui en résulteraient doivent être ajoutés à ceux des objectifs pour lesquels cet accroissement est jugé indispensable.

Pour la mise au point définitive du projet, les besoins eh réserve morte sont évalués à partir d'études plus détaillées du profil de sédimentation à divers intervalles de temps dans le futur (voir section 4.8.5.).

(A commander à Références d'après le

tableau 1.2)

Chow, Ven Te. (éd.) 1964. Handbook of applied hydrology. New York, McGraw-Hill. B-27

*Davis, Calvin Victor; Sorensen, Kenneth E. 1969. Handbook of applied hydraulics. B-27 3rd ed. New York, McGraw-Hill.

Eichert, Bill S. 1979. Reservoir storage determination by computer simulation B-52 of flood control and conservation systems. Paper presented at International Symposium on specific aspects of hydrological computations for water projects, Leningrad, 3-7 September 1979.

Eichert, B. S.; Davis. D. W. 1976. Sizing flood control reservoir systems by B-52 systems analysis, presented at the XII international commission on large dams congress in Mexico City, March, 1976. California, Hydrologie Engineering Center, U.S. Army Corps of Engineers.

*Référence de 1er ordre en anglais

92

Fiering, M. B. 1967. Streamflow synthesis. Massachusetts, Harvard University Press.

(A. commander à d'après le Tableau 1.2)

B-18 (1)

Fiering, M. B.; Jackson, B. 1971. Synthetic streamflow. Water resources monograph B-2 No. 1. Washington, D. C , American Geophysical Union.

Gidrometeoizdat. 1973. Ukazania po raschetu zailenia vodokhranilisch pri stroitelnom proektirovanii (Instructions for computing reservoir sedimentation in construction design), (in Russian). Leningrad, Gidrometeoizdat. 55p.

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Hveding, V., et al. 1976. Optimum operation and development of predominantly hydro power systems. Oslo, Norconsult A/S.

*Hyd'rologic Engineering Center, U.S. Army Corps of Engineers. 1971. Hydrologie engineering methods for water resources development, vol. 1, Requirements and general procedures, U.S. Contribution to the International Hydrological Decade. California. (NTIS Order No. 758904).

B-68

B-19 (2)

B-33

B-32 or B-52

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, 1975a. Hydrologie "engineering methods for water resources development, B-32 vol. 3, Hydrologie frequency analysis, U.S. Contribution to the International or B-52 Hydrological Decade. California. NTIS Order No. A017433).

. 1975b. Hydrologie engineering methods for water resources development,vol. 8, Reservoir yield, U.S. Contribution to the International Hydrological Decade. California. (NTIS Order No. A007107)

. 1976. Hydrologie engineering methods for water resources development, vol. 7, Flood control by reservoirs, U.S. Contribution to the International Hydrological Decade. California. (NTIS Order No. A052598).

. 1977a. Hydrologie engineering methods for water resources

B-or

B-or

32 B-

32 B-

•52

-52

B-32 development, Vol. 9, Reservoir system analysis for conservation, U.S. Contribution or B-52 to the International Hydrological Decade, California. (NTIS Order No. A052599).

. 1977b. Hydrologie engineering methods for water resources development, B-32 vol. 12, Sediment transport, U.S. Contribution to the International Hydrological or B-52 Decade. California. (NTIS Order No. A052600).

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. 1978. HEC-1, Flood hydrograph package, users manual. California.

1979. HEC-5, Simulation of flood control and conservation systems,

B-52

B-52

B-52 users manual. California.

1980a. Application of the HEC-5 hydropower routines, training document 12. California.

B-52

*Rëférence de 1er ordre en anglais-(1) Epuisé, voir en bibliothèques (2) Coût $50 pour deux volumes-

93

(A d'après 1 Tableau 1

. 1980b. HYDUR, Hydropower analysis using streamflow duration procedure, users manual. California.

James, Douglas L.; Lee, R. R. 1971. New York, McGraw-Hill.

Economics of water resources planning.

Karaushev, A. V. 1977. Teoría i metody raschetov rechnykh nanosov (Theory and methods for river sediment computation), (in Russian). Leningrad, Gidrometeoizdat, 272 p.

Kritzky, S. N., Menkel, M. F., 1950. Gidrologicheskie osnovy rechnoi gidrotekhniki (Hydrological principles of river hydraulics). Moscow, Izd. AN SSSR, 392 p.

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Lopatin, Georgiy V. 1965. Academy of Sciences USSR, Water balance and silting of small reservoirs in the Central Chernozem of the RSFSR, Moscow, (translated into English by D. B. Krimgold, U.S. Department of Agriculture).

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*WM0. 1974. Guide to hydrological practices. 3rd ed. (WMO-No. 168). Geneva.

B-52

B-27

B-68

B-71

A-10 (1)

B-71

B-68

A-7 (2)

B-68

A-8 (2)

B-53

B-51

B-51

B-3

A-10

*Référence de 1er ordre en anglais (1) Epuisé oct. 1980 (réimpression possible), voir en bibliothèques (2) Epuisé, voir en bibliothèques

94

4.9 METHODES HYDROLOGIQUES POUR L'ELABORATION DES SCHEMAS D'EXPLOITATION DES RESERVOIRS

4.9.1 Introduction

Le but d'un schéma d'exploitation, défini par un ensemble de consignes, ou règles, est de fixer la manière dont l'exploitant doit s'y prendre pour stocker ou lâcher l'eau à chaque instant et en chaque peint du système d'aménagement suivant l'état de ce système à cet instant. On doit prendre des décisions pour répartir convenablement les stockages et les prélèvements vers les différentes demandes et dans les différents réservoirs pour les différentes périodes d'exploita­tion. Ces décisions tiennent compte en général d'objectifs à la fois physiques et économiques et le processus de leur élaboration consiste parfois en une combinaison des techniques de simu­lation et d'optimisation. Les données hydrologiques en entrée peuvent être observées ,simulées (par exemple transformations pluies-débits), générées par un procédé stochastique (faisant appel à la théorie des probabilités), ou provenir d'une combinaison de ces méthodes. Le sous-chapitre 4.8 traite des bases hydrologiques de la détermination des besoins en stockage. On ne peut toutefois évaluer ces besoins sans tenir compte du plan d'exploitation des réservoirs, qui fait l'objet du présent sous-chapitre. Il n'existe pas de référence couvrant entièrement le sujet: on en citera donc un certain nombre sur différents aspects de l'élaboration d'un schéma d'exploitation.

Dans son chapitre traitant des règles d'exploitation, James (1971) propose six questions de base concernant ce problème, auxquelles on doit répondre en fixant des consignes. Les deux premières concernent le stockage des apports provenant des crues:

1. Doit-on stocker les apports de la crue qui se présente pour réduire les dommages en aval ou les laisser passer pour gagner de la place sur la part de stockage réservée au contrôle des crues?

2. Doit-on utiliser cette part de stockage en vue de fournitures ultérieures ou la la réserver effectivement à la protection contre les crues?

Le volume de réserve destiné au contrôle des crues est souvent fixé à partir d'une attribu­tion de stockage variable suivant la saison, cette variation dérivant elle-même d'une analyse de l'exploitation pour des crues historiques. La décision de stocker ou de lâcher de l'eau dépend de la place disponible dans le réservoir, de la probabilité de son remplissage et des conséquences que peuvent entraîner les lâchures de plus en plus importantes à mesure que la place disponible diminue. L'aspect opérationnel du contrôle des crues est présenté dans la section 4.9.3, analyse pour un réservoir unique, et dans la section 4.9.7, détermination des lâchures en cas d'urgence durant les crues, où l'on considère également l'aspect prévision. La réponse à la seconde question découle des tranches de la capacité du réservoir qu'on attribue respectivement à la protection contre les crues et à la fourniture d'eau, puisque le stockage effectif en dehors des crues ne doit jamais dépasser cette dernière tranche (James, 1971).

Les deux question suivantes sont présentées dans James (1971) et se rapportent aux objec­tifs de consommation.

3. Doit-on lâcher l'eau contenue dans le réservoir pour satisfaire un besoin actuel ou doit-on la garder pour un besoin futur?

4. Dans le cas d'un système de réservoirs, quelle quantité d'eau doit-on lâcher à partir de chacun d'eux. Les consignes d'exploitation pour la fourniture d'eau de consommation sont en général basées sur le ou les niveaux du ou des stockages eux-mêmes affectés d'une variation saisonnière. Si on dispose de toute l'eau qu'on veut, on procède aux lâchures nécessaires à la satisfaction de toutes les demandes. Si le taux de remplissage tombe au-dessous d'un certain niveau considéré comme critique, on ne satisfait que les demandes essentielles en réduisant- éventuellement la fourniture correspondante. La détermination des lâchures pour la consommation est traitée dans la section 4.9.3,, analyse d'un réservoir unique. Le choix de la répartition des lâchures entre plusieurs réservoirs est exposé dans la section 4.9.4, analyse d'un système de réservoirs.

5. La cinquième question est: comment répartir l'eau délivrée entre les différents usages potentiels? Il va de soi que tous les besoins sont satisfaits quand on dis­pose de suffisamment d'eau. Lorsque la fourniture est insuffisante, il faut bien établir des priorités qui dépendent d'impératifs légaux et politiques. La quantité d'eau à répartir aux différents usagers peut quelquefois dépendre de sa qualité, notamment de sa température à cause des effets de ce paramètre sur les poissons.

6. La sixième question concerne les possibilités de soutirage sélectif dans les réser­voirs. La température de l'eau délivrée peut avoir des conséquences pour quel­ques-uns des usages prévus. Comme beaucoup de réservoirs sont équipés de prises d'eau à différents niveaux permettant un soutirage sélectif quant à la température,

95

on peut, dans l'exploitation de beaucoup d'aménagements, tenir compte aussi bien de contraintes de qualité que de contraintes de quantité.

Dans les section suivantes, on expose les concepts qui président à l'analyse de l'exploita-d'un réservoir isolé et d'un système de réservoirs. On donne une brève description de quel­ques-uns des modèles généralisés utilisés pour la simulation et pour l'optimisation. Dans les dernières sections, on présente différents modèles de prévision des crues ou conçus pour la dé­termination des lâchures en cas de crue. Quelques-uns des principes essentiels et des procé­dures à utiliser pour la régularisation des débits sont consignés dans Kartvelishvilli (1970) et Chokin (1977).

4.9.2 Méthode générale d'analyse

Les grandes étapes d'une étude d'exploitation esquissées ici sont exposées dans le chapitre 2 de HEC (1977). Ces étapes de base s'appliquent aussi bien à un aménagement unique qu'à un sys­tème d'exploitation destiné à satisfaire un ou plusieurs objectifs.

1. Identifier le système. Pour définir le problème on a besoin d'identifier les caractéristiques géographiques, hydrologiques et physiques du système de réservoirs et de localiser les demandes.

2. Déterminer les objectifs de l'étude. Etablir les objectifs que doit atteindre l'exploitation. S'agit-il de satisfaire à des demandes définies, de fabriquer de l'é­nergie, d'implanter des installations, d'améliorer l'exploitation d'un système exis­tant ou d'une combinaison de tout cela?

3. Déterminer les critères d'évaluation. Sur quoi doit-on baser le jugement? Veut-on minimiser les déficits, maximiser le rendement économique, minimiser les risques de vidange du réservoir, assurer une bonne équirépartition entre les demandes, etc...?

4. Rassembler les données nécessaires à l'étude i Hydrologie: Débits, evaporation, infiltration et autres formes de pertes.

Cpmgosantes physiques: Courbes de remplissage des réservoirs, capacité d'évacuation des évacuateurs de crue et autres sorties, caractéristiques des usines hydro-électri­ques, débitance des canaux de prises, etc.... Besoins_du_système: En écoulement dans les cours d'eau, en fourniture d'eau, en énergie, etc... Critères_d^exploitations: Quel réservoir (ou quelle combinaison de réservoirs) doit être utilisé pour satisfaire les besoins? Quelles sont les priorités en situation de restriction? Quelles sont les contraintes relatives aux débits maximaux et aux vitesses de variation des lachûres? Quels sont les critères d'exploitation, dans l'état actuel du système, pour chacun des éléments qui le composent, que doit-on y changer et quelles sont à ce propos les dispositions réglementaires?

5. Formuler une representation mathématique du système. Le modèle peut consister en feuilles de calculs, en un jeu de cartes perforées correspondant à un modèle de simulation existant ou à un nouveau modèle adapté au cas traité.

6. S'assurer de l'adéquation du modèle de simulation. On utilise en général une série de données historiques pour s'assurer du caractère réaliste du mode d'exploitation pro­posé.

7. Exécuter les simulations. L'étude préalable devrait permettre de dégager un certain nombre de scénarios dont l'efficacité est soumise au test de la simulation.

8. Evaluer les résultats. En se basant sur les critères d'évaluation, les résultats obtenus sont comparés aux objectifs fixés: on peut ainsi adapter les composantes du système et les règles d'exploitation.

Pour la simulation d'un réservoir à buts multiples, on peut utiliser une série non inter­rompue de débits observés ou des périodes séparées d'écoulements considérés comme critiques. Dans l'analyse du contrôle des crues, le pas de temps utilisé est en général assez court et on opère en général avec des événements isolés. Une fois décidée l'attribution de stockage pour le contrôle des crues, on démarre l'exploitation en supposant que le niveau de la retenue est normal, même si, dans la série des observations, elle se trouvait à un niveau inférieur. Quand on utilise des événement isolés, la simulation d'exploitation doit être poursuivie tant que le volume de stockage réservé au contrôle des crues n'est pas complètement évacué. Il peut parfois se produire une deuxième crue avant que cette évacuation soit réalisée, ce qui peut conduire à des conditions plus critiques que celles qui correspondent à des événements isolés.

Dans la plupart des problèmes de fourniture d'eau pour la consommation, il suffit d'adopter un pas de temprs mensuel pour évaluer l'exploitation du réservoir lors de l'étude du projet. Avec l'aide des modèles fonctionnant sur ordinateurs, on peut mettre en oeuvre de longues séries de débits pour les études d'exploitation. Cependant, lorsqu'on a retenu de nombreux scé­narios, le coût des calculs peut s'avérer excessif. On peut alors utiliser de courtes périodes considérées comme critiques pour faire un premier choix entre les différentes solutions. On ne conserve alors qu'un petit nombre de scénarios pour l'étude détaillée desquels on peut mettre

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en jeu des séries de longue durée, afin d'analyser leurs possibilités sur toute une gamme de conditions hydrologiques.

4.9.3 Analyse du fonctionnement avec un seul réservoir

Quand il n'y a qu'un réservoir, les schémas d'exploitation peuvent ne concerner qu'un seul ob­jectif, par exemple la production d'énergie, ou comprendre plusieurs objectifs de consommation et de protection contre les crues d'un certain nombre de sites aval. Au stade du projet et durant la première conception d'un réservoir, on peut se contenter de méthodes simplifiées tel­les que les courbes de valeurs cumulées séquentielles ou non (HEC, 1975) . Cependant, dans les étapes finales du projet et lors de l'élaboration des consignes d'exploitation, on a souvent besoin de procéder à une étude plus détaillée du déroulement chronologique des opérations. C'est pourquoi, en règle générale, si on souhaite accroître la précision des résultats, on devra uti­liser pour la simulation des pas de temps plus courts.

La mise en place d'un schéma d'exploitation pour un aménagement à but unique constitue la tâche la plus simple puisqu'il n'y a pas conflit avec d'autres objectifs ou d'autres projets. Les schémas d'exploitation sont alors en général élaborés en s'efforçant de satisfaire, lors d'une période hydrologique considérée comme critique, la demande prévue, de manière à pouvoir garantir le fonctionnement pour n'importe quelle séquence moins sévère.

Lors des études relatives à une fourniture d'eau pour la consommation, la séquence hydrolo­gique choisie est en général l'événement observé la plus sévère; toutefois, on peut aussi uti­liser des chroniques synthétiques. Fiering (1971) récapitule les méthodes qu'on utilise pour fabriquer des débits synthétiques. Des exemples de simulation de séries chronologiques par la méthode de Monte Carlo sont donnés par Svanidze (1964) et Reznikovsky (1969). Le programme de calcul "Simulation des débits moyens mensuels" HEC-4 (HEC, 1971) permet d'analyser les débits moyens mensuels à un certain nombre de stations corrélées entre elles, de reconstituer les débits manquants, et de fabriquer une chronique de débits moyens mensuels. Un avantage de l'utilisation des séries synthétiques est la faculté qu'elles donnent au projeteur de minimiser l'influence des séquences d'événements rares qui pourraient se produire dans le futur, lors de l'étude détaillée des mesures à prendre (HEC, 1975). Pour le contrôle des crues, on élabore souvent des crues historiques et des crues de projet pour tester l'exploitation du réservoir et voir si 1'évacuateur de crues a une capacité suffisante. Le sous-chapitre 4.5 mentionne des méthodes permettant d'élaborer les crues de projet.

Quand on élabore des schémas d'exploitation pour des réservoirs à buts multiples, il est généralement nécessaire de procéder à une analyse séquentielle détaillée pour éviter des situa­tions conflictuelles entre les divers objectifs. Le choix du pas de temps de travail dépend de la variabilité de la fourniture et de la demande. Il est constant que la protection contre les crues et l'exploitation d'une usine de pompage pour la production d'énergie exigent des pas de temps de courte durée (un jour ou moins) si on veut élaborer les schémas d'exploitation et évaluer les conséquences sur les autres buts de l'aménagement avec suffisamment de précision. Les analyses utilisant des pas de temps de courte durée sont généralement effectuées pour des conditions d'exploitation extrêmes, pour fournir une information complémentaire de celle qu'on a obtenue avec des pas de temps de longue durée.

Les priorités à établir entre les différents buts doivent être données au cours de l'opéra­tion d'analyse. Quand on procède par simulation, les priorités sont généralement fournies pour chacun des essais. Les conséquences d'un changement de ces priorités sont étudiées en répétant les opérations. En modélisation mathématique, les priorités sont généralement définies par le processus d'exploitation qui prend lui-même la décision susceptible d'aboutir au .résultat le plus intéressant. Très souvent, le choix de quelques-unes des priorités est évident. La ques­tion qui se pose alors est de savoir comment orienter l'exploitation au travers de l'ensemble des priorités pour tous les buts de l'aménagement. Il est habituel d'attribuer à la protection contre les crues la plus haute priorité; il s'ensuit qu'au passage d'une crue les exigences concernant la consommation devront être réduites pour permettre la meilleure exploitation en vue de cette protection.

Le volume de stockage disponible dans un réservoir à buts multiples est généralement répar­ti entre la tranche de volume pour le laminage des crues, la tranche réservée à la consommation et celle qui correspond à la partie inactive de la réserve, ou culot (section 4.8). En plus, un volume de stockage supplémentaire est ménagé au-dessus de la tranche réservée au contrôle des crues pour stocker les apports de crue que l'évacuateur est incapable d'absorber. Un des buts les plus importants de la simulation séquentielle détaillée est de fixer les attributions des tranches de stockage et les règles d'exploitation susceptibles de satisfaire le plus largement possible tous les buts de l'aménagement.

Dans un aménagement à buts multiples, le fait d'assigner une tranche de stockage au con­trôle des crues va à l'encontre des objectifs de consommation, de deux manières. Le volume ré­servé à ce contrôle pourrait être employé à des fins de consommation et l'exploitation du ré­servoir en protection contre les crues peut amener à réduire les lâchures pour la production

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d'énergie et les bénéfices qu'on peut en tirer. La mise au point des schémas d'exploitation pour la protection contre les crues demande en général de simuler le passage à travers le réser­voir de crues historiques et de crues de projet afin d'évaluer le comportement du réservoir et les conséquences de ce fonctionnement sur les sites menacés situés en aval. Dans les études d'exploitation, il n'est pas possible d'utiliser les écoulements futurs tels qu'on pourrait les connaître dans l'absolu, puisqu'une telle connaissance n'existe pas en pratique. On pourrait se fixer une limite réaliste sur la portée d'une projection dans le futur et sur la précision avec laquelle on peut évaluer les écoulements dans le futur (voir Chokin, 1977).

HEC (1976) donne les principes de base de l'exploitation d'un réservoir pour la protection contre les crues et expose des méthodes pour l'établissement des critères d'exploitation. Ces sujets comportent la détermination des débits de lâchure, du laminage d'une crue de projet, le calcul de la sortie du réservoir et de 1'évacuateur de crues, l'élaboration des règles d'exploi­tation d'un réservoir à buts multiples. Le U.S. Department of the Army (1959) expose des mé­thodes utilisées pour établir des critères de réglementation.

Les fins essentielles de l'exploitation d'un réservoir pour le contrôle des crues doivent tendre à :

1. Ne pas faire courir de danger au barrage. 2. Ne pas contribuer à inonder les sites aval. 3. Ne pas stocker sans nécessité de l'eau dans la tranche réservée au contrôle des crues. 4. Evacuer l'espace correspondant à cette tranche aussi rapidement que possible. L'élaboration du schéma d'exploitation destiné à satisfaire ces objectifs dépend du volume

de réserve disponible pour le contrôle des crues. Le U.S. Department of the Army (1959) décrit trois schémas d'exploitation de base. La méthode A utilise au maximum la réserve disponible durant chaque événement crue. La méthode B est basée sur le laminage de la crue de projet et la méthode C est une combinaison de A et de B, c'est-à-dire exploiter le réservoir en utilisant au maximum la réserve disponible lorsque c'est faisable et utiliser un programme fixe présentant davantage de sécurité en situation critique.

Naturellement, l'exploitation par la méthode A maximise le bénéfice qu'on peut tirer du contrôle des crues. Si on dispose d'un volume de stockage suffisant pour ce contrôle, le meil­leur schéma sera celui qui consiste à stocker les écoulements de crue jusqu'à ce que les débits en aval commencent à décroître. On doit cependant s'assurer qu'une suite d'événements plus mo­dérés ne sont pas susceptibles de créer une situation plus critique, quant au besoin de stockage, qu'un événement unique.

Dans les cas où le volume de la tranche réservée au contrôle des crues est faible ou nul, le schéma d'exploitation en protection est généralement basé sur une crue de projet (méthode B). En l'absence de stockage suffisant réservé à cet objectif, le schéma d'utilisation doit assurer la protection du barrage et faire en sorte que sa mise en oeuvre ne provoque pas en aval des inondations plus importantes que celles qu'on observerait dans les conditions naturelles. Le chapitre 3 de HEC (1976) traite du laminage d'une crue de projet par un réservoir et le chapitre 6 du schéma d'exploitation d'un évacuateur de crue.

Pour les aménagements qui comportent une protection partielle contre les crues, on peut appliquer la méthode C. Les études utilisant les crues historiques et la crue de projet montrent alors quel volume de stockage on peut utiliser et permettent encore de contrôler la crue de pro­jet. Quand une crue se présente, on commence par utiliser le réservoir en contrôle des crues jusqu'à ce que le niveau de la retenue excède une certaine valeur, à partir de laquelle on con­tinue la simulation en supposant que la crue qui se présente alors est la crue de projet. A partir de là, les débits des lâchures dépendent du niveau de la retenue et des apports dans le réservoir. Le programme de lâchures devrait être capable d'assurer le laminage de la crue de projet de manière à maintenir les débits à des valeurs égales ou inférieures à celles qui pré­valent dans les conditions naturelles.

La tranche de stockage réservée à la consommation peut fournir quelque protection contre les crues; toutefois, sa destination première est de fournir de l'eau quand les apports sont inférieurs aux demandes et d'assurer une charge motrice pour la production d'énergie hydro­électrique. Les limites supérieures et inférieures de cette tranche peuvent être affectées d'une variation saisonnière. La limite supérieure peut augmenter quand on a besoin d'un volume de stockage plus faible pour les crues. Le niveau minimal de la retenue peut varier pour s'assurer un niveau plus élevé durant la saison des vacances et pour permettre ensuite de l'abaisser afin de répondre à d'autres fins. S'il y a plusieurs objectifs de consommation, il faut établir des priorités afin d'être sûr que les priorités les plus élevées sont satisfaites^ On peut diviser la tranche réservée à la consommation en attribuant une partie de la réserve totale à une zone tampon. Lorsque le niveau du réservoir descend en-dessous de celui de cette zone, seules les demandes les plus prioritaires sont satisfaites, ou bien on réduit les fourni­tures*

*Note du traducteur: En français,on parle de "cotes d'alertes" en dessous desquelles on applique des "consignes des restriction".

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Comme pour le contrôle des crues, la tranche de réserve attribuée à la consommation condi­tionne en partie l'exploitation. Au sein de cette tranche, on stocke l'eau pour l'utiliser par la suite et les prélèvements ou lâchures sont effectués uniquement pour répondre aux demandes.

Pour une capacité de stockage total donnée, le schéma d'utilisation est généralement conçu pour répondre à des objectifs bien définis. Si le dimensionnement de la tranche de réserve vise à une sécurité presque absolue de la fourniture, il faut que toutes les demandes soient satis­faites durant une période historique critique. L'étude de l'exploitation devrait être menée en utilisant une série historique de débits, les demandes auxquelles on peut s'attendre et les don­nées d'evaporation. Au cours de la période la plus critique, toute les demandes sont satisfaites, tandis que la retenue s'abaisse à son niveau minimal. Des exemples d'étude d'exploitation au pas de temps mensuel figurent dans le chapitre 12, fourniture d'eau, et dans le chapitre 13, énergie hydro-é1ectrique, de James (1971).

HEC (1975) expose de façon très complète les techniques utilisées pour déterminer la rela­tion entre le stockage dans un réservoir et la fourniture, dans le cas d'un réservoir unique. Ces techniques comportent des méthodes simplifiées, l'analyse par courbes de valeurs cumulées non-séquentielles et l'analyse séquentielle détaillée. On y présente également l'élaboration et l'utilisation des'tourbes de consignes". L'élaboration de ces courbes est basée sur l'exploita­tion d'une usine hydro-électrique, dans le cas d'un réservoir unique, durant la période d'abais­sement maximal du niveau de la retenue.

On se ménage parfois, au sein de la tranche de stockage réservée à la consommation, un volume destiné à assurer la fourniture dans des circonstances plus sévères que celles que peuvent laisser entrevoir les données observées, ou pour parer à d'autres aléas. Ce niveau tampon peut être une courbe enveloppe basée sur le concept de sécurité de fourniture (HEC, 1975) ou délimiter une zone dans laquelle les règles d'exploitation sont différentes. Dans les aménagements qui comportent une réserve de consommation ou reçoivent des apports insuffisants, le problème est de fixer la cote du niveau tampon (cote d'alerte).

Quand on utilise la simulation, on devrait classer les demandes par priorité, fixer le ou les niveaux à partir desquels des demandes à faible priorité devraient supporter des restrictions puis simuler l'exploitation du réservoir pour des séries de basses eaux critiques. Lors de l'évaluation des différents scénarios, une attribution de la tranche de stockage pour la consom­mation peut être établie de telle façon que les demandes les plus prioritaires soient satisfaites tandis que les demandes les moins prioritaires le sont seulement lorsque les apports dépassent un certain seuil.

La section 5.6 de Loucks (1976) expose un modèle d'attribution de surface basé sur le béné­fice net attendu pour chaque usage de l'eau. Les résultats peuvent être exprimés par des courbes de consignes d'exploitation du réservoir dans les zones ou les lâchures peuvent être autorisées. Un programme de calcul interactif, basé sur ces concepts, a été mis au point.

Les sections 25-111 de Chow (1964), règles d'utilisation d'un réservoir, donnent une classi­fication et une description de ces règles pour des réservoirs à but unique ou multiple. La partie V de cette section donne des exemples déprogrammes d'exploitation pour des systèmes de réservoirs à buts multiples.

4.9.4 Analyse du fonctionnement d'un système de réservoirs

Parmi les 6 questions de base posées dans l'introduction au sujet de l'exploitation, une seule concerne strictement les aménagements comportant plusieurs réservoirs: quelle quantité d'eau doit-on lâcher à partir de.chaque réservoir? Les cinq autres questions concernent chacun des réservoirs pris séparément (bien que la température et la qualité des lâchures puissent être aussi un problème de réservoirs multiples).

Pour avoir un problème de décision concernant des réservoirs multiples, il faut qu'il y ait au moins deux réservoirs exploités dans le même but. On pourrait prendre comme exemple plu­sieurs réservoirs destinés- à la production d'énergie et exploités pour satisfaire la même demande ou plusieurs réservoirs destinés à la protection contre les crues dans le même bief aval. Tous les systèmes de réservoirs peuvent être ramenés à des combinaisons de réservoirs en série et en parallèle.

Pour des réservoirs en série, les lâchures destinées à satisfaire les demandes aval sont effectuées à partir du réservoir situé en aval, tandis que les lâchures effectuées à partir du réservoir amont sont destinées à la fois à satisfaire les demandes locales et à maintenir entre les deux réservoirs un équilibre fixé à l'avance (en général le même pourcentage de remplissage). Il pourrait en être autrement si le barrage amont est destiné à la production d'énergie: en théorie, l'aménagement hydro-électrique amont devrait régler ses lâchures uniquement en fonction de la production d'énergie, tandis que le réservoir aval serait chargé d'assurer la régularisa­tion pour les besoins exprimés en aval.

Quand on exploite des réservoirs en parallèle pour alimenter la même zone en aval, toute combinaison des lâchures qui assure le total des demandes sera considérée comme satisfaisante

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par l'usager situé en aval. La question est alors de savoir combien on doit tirer de chacun d'eux. L'approche la plus simple consisterait à maintenir les réservoirs au même taux de remplissage. On devrait pourtant tenir compte de la probabilité de chaque réservoir de se rem­plir à nouveau. Aussi bien pour le contrôle des crues que pour la fourniture d'eau, le réser­voir qui a le plus de chances de se remplir devrait être vidé plus rapidement ou plus souvent.

Le fait de multiplier les objectifs accroît la difficulté du choix. Si un des réservoirs compte les loisirs parmi ses objectifs, pendant les vacances les lâchures doivent à peu près équilibrer les entrées pour assurer un plan d'eau convenable. Dans le cas d'hydro-électricité, les lâchures devraient en principe dépasser rarement ce qu'exigent les besoins en énergie.

Pour se faire une idée correcte sur la façon d'exploiter plusieurs réservoirs à des fins multiples, il est nécessaire de recourir à des simulations suffisamment détaillées. Une simu­lation qui met en jeu l'ensemble des demandes et des contraintes du système d'aménagement peut montrer comment on doit procéder pour atteindre simultanément tous les objectifs de l'aménage­ment. S'il existe quelque possibilité de maximiser le produit qu'on peut tirer de l'exploita­tion de 1 'aménagement, on peut utiliser des méthodes d'optimisation.

HEC (1977) donne une information sur les méthodes utilisées dans l'analyse des systèmes de réservoirs aux fins de fournitures telles que l'alimentation en eau, la production d'énergie hydro-électrique, les loisirs et la navigation: on y présente une méthode générale pour une étude d'analyse de système en utilisant des modèles de simulation (programmes d'ordinateur) et en donnant des exemples.

4.9.5 Modèles de simulation

Les modèles de simulation utilisés pour étudier l'exploitation des réservoirs devraient pouvoir représenter toutes les caractéristiques principales d'un système de réservoirs et être capable de mettre en jeu toute une gamme d'objectifs à satisfaire par l'aménagement. Pour les projets dans lesquels la fourniture d'eau tient la première place, on peut souvent se passer, dans la plus grande partie des études, d'introduire de façon détaillée l'exploitation concernant le contrôle des crues, ce qui permet d'utiliser un pas de temps plus long. La simulation de l'ali­mentation en eau s'effectue fréquemment avec un pas de temps hebdomadaire ou mensuel, sauf éven­tuellement pour les études de production hydro-électrique qui peuvent exiger un pas de temps journalier ou horaire pour le calcul des aménagements au fil de l'eau ou impliquant des pompages. La simulation du laminage pour la protection contre les crues demande en général un pas de temps journalier ou horaire. Hufschmidt (1966) donne des informations sur la manière de s'y prendre pour effectuer une étude de simulation.

Un grand nombre de modèles de simulation ont été mis au point. Quelques-uns ont été généralisés, sont assortis d'une note explicative et peuvent être utilisés sur différents types d'ordinateurs.

Deux de ces derniers modèles, qu'on peut se procurer par le "Hydrologie Engineering Center" sont appelés HEC-3 (HEC, 1974) et HEC-5(HEC, 1979): tous deux permettent de simuler des prises de décision pour le choix des lâchures entre tous les réservoirs en respectant les con­traintes imposées, les demandes, et en maintenant l'équilibre entre les réservoirs.

Le programme HEC-3 est conçu pour l'exploitation au pas de temps mensuel d'un système à ré­servoirs multiples travaillant pour la fourniture. Le programme HEC-5 permet l'exploitation à la fois pour la fourniture et pour la protection contre les crues en utilisant des pas de temps de une heure à un mois, ce pas de temps pouvant varier au cours de la simulation. HEC-5 peut aussi fonctionner de manière à tirer le maximum du système pour des volumes donnés du stockage. Les deux modèles peuvent fournir une analyse économique de l'exploitation. Dans le modèle HEC-5, les possibilités de l'analyse économique se limitent au contrôle des crues et à la production d'énergie.

Le Département des ressources en eau du Texas tient à jour et diffuse une série de program­mes généralisés dont plusieurs s'appliquent à l'étude de l'exploitation des réservoirs (Texas Department of Water Resources, 1978). Leur programme RESOP-I est un programme de simulation au pas de temps mensuel, à la fois quantitatif et qualitatif: il est conçu pour un seul réservoir et suppose une fourniture fixe. Leur programme SIMYLD-II est un modèle de simulation pour plu­sieurs réservoirs qui permet d'étudier un problème de fourniture pour des demandes données.

Il peut être nécessaire de simuler la température et la qualité de l'eau d'un réservoir pour satisfaire,dans un système, des exigences de qualité. Le modèle "Reservoir Temperature Strati­fication" (HEC, 1972) modèlise au pas de temps mensuel la température de l'eau dans un réservoir pour des couches horizontales. "Water Quality for River Reservoir Systems" (HEC,1978) est un modèle plus complet conçu pour simuler l'écologie d'un milieu aquatique dans les cours d'eau et les réservoirs. La simulation de la qualité de l'eau est traitée dans le sous-chapitre 4.10 du présent rapport.

Il existe de nombreuses variantes de ces types de modèles: les deux agences citées acceptent en général de fournir, pour leurs modèles, une meilleure documentation et un meilleur appui technique que d'autres sources possibles.

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4.9.6. Modeles d'optimisation

L'application de la recherche opérationelle dans l'étude des ressources en eau a jusqu'ici sur­tout attiré l'attention des milieux académiques (Loucks, 1976, Hall, 1970, Haimes, 1975, Kuchment, 1972 et Shiklomanov, 1979). Cette application est souvent difficile, par suite de la complexité et de la taille des systèmes de ressource en eau, et à cause du problème posé par l'identification d'un ensemble approprié et suffisamment complet des contraintes opérationnelles. C'est pourquoi un modèle d'optimisation doit être réadapté pour chaque cas particulier, quoique quelques modèles de ce type aient été récemment réalisés de manière à être raisonnablement transférables et dotés d'une documentation convenable (Texas Department of Water Resouces, 1978). On peut trouver un examen de modèles variés réalisés pour l'analyse des systèmes de ressources en eau dans une publication de Schanfelberger (1971). Les modèles qu'il passe en revue utilisent des pas de temps mensuels ou annuels et ne s'appliquent donc pas à la plupart des systèmes de protection contre les crues. L'optimisation est fréquemment utilisée pour maximiser la production d'énergie dans le cas de contraintes constituées par d'autres objectifs du projet. Le U.S. Bureau of Reclamation a réalisé un modèle de programmation dynamique pour maximiser la production d'énergie en présence de contraintes imposées par des demandes d'eau données (Becker, 1974). Plusieurs exemples de l'utilisation de la programmation dynamique et de l'hydro­logie stochastique pour l'établissement de règles optimales d'exploitation ont été présentés au Symposium International sur les modèles mathématiques eh hydrologie, tenu en 1971, sous la rubrique 8: Exploitation optimale des systèmes de ressources en eau (Unesco, 1974).

Quelques organisations gouvernementales conservent et diffusent des modèles d'exploita­tion de réservoirs ayant des possibilités d'optimisation. Le programme AL-IV (Texas Department of Water Resources, 1978) est un modèle général d'optimisation hydrologique capable de trouver le plan d'exploitation au coût minimal d'un système comportant des réservoirs, des confluents, des canaux et des biefs. Le système physique est représenté par une configuration maillée.

En Norvège, on utilise un modèle général relativement simple pour optimiser l'exploita­tion de plusieurs réservoirs en production hydro-électrique. Son principe est basé sur une exploitation entièrement économique, à l'intérieur de limites imposées par d'autres objectifs tels que les loisirs, le flottage du bois, la pêche, etc.. Les déficits en énergie font l'ob­jet d'une évaluation économique en même temps que la valeur économique et autres seuils de pro­duction d'énergie, de façon à minimiser les pertes financières de la communauté. Le modèle est utilisé aussi bien pour l'étude du projet que pour l'exploitation (Hveding, 1970a, 1970b, 1976).

4.9.7 Détermination des lâchures en cas de danger durant les crues

Les programmes d'exploitation des réservoirs pour la protection contre les crues pourraient en général être améliorés par de bonnes prévisions de débits en temps utile. Quand il n'est pas prévu de tranche de stockage réservée au contrôle des crues, ou que celle-ci est petite, on peut déclencher des lâchures en urgence sur la base des apports prévus dans le réservoir, afin de constituer une réserve supplémentaire pour le laminage de la crue. Le volume de la crue est alors de première importance, mais l'instant du maximum et la valeur du débit correspondant ne sont pas dénués d'intérêt. Dans les aménagements destinés à protéger contre les crues des points vulnérables situés en aval, la situation de ces points a également son importance. En tenant compte des débits prévus en aval, les lâchures devraient être dosées de manière à utili­ser toute la capacité de débit du chenal; Avant de les insérer dans un programme d1exploita-" tion, il faut que les prévisions scient suffisamment sûres et faites en temps utile pour qu'on puisse en faire dépendre la détermination des lâchures.

Les outils dont on se sert pour la prévision hydrologique sont, dans leur principe, les mêmes que ceux qu'on utilise pour l'analyse hydrologique (WMO, 1974). La plupart des pré­vis-ions de crues ont besoin qu'on introduise la pluie et/ou la fonte de la neige et le calcul du débit de base, soit dans des relations empiriques, soit dans des calculs de bilan. Une autre méthode consiste à baser la prévision sur la propagation de l'onde de crue à travers le réseau hydrographique. Le chapitre 6 de OMM (1974) et OMM (1975a) donnent un bon aperçu des méthodes de prévision. Un texte russe "Prévision à court terme des débits dans les cours d'eau des régions basses" (Alekhin, 1964), expose des méthodes d'extrapolation de l'information débit en un point donné et de prévision des débits basées sur des données recueillies à l'amont, ainsi que des méthodes basées sur 1'hydrogramme unitaire et le bilan hydrologique. Un deuxième texte, "Prévision hydrologique", (Appollov, 1964), traite à peu près des mêmes sujets, mais présente également des méthodes de prévisions saisonnières à long terme et de prévisions incluant le gel des cours d'eau et la débâcle des glaces. Les problèmes de prévision sont exposés en détail par E.G. Popov (1974). Le centre hydrométéorologique de l'URSS utilise des modèles mathéma­tique pour prévoir les débits à partir des pluies et les crues de printemps dues à la fonte des neiges (pp: 121-140 de Kutchment, 1972) .

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Avec l'avènement des ordinateurs et de leur application en hydrologie, il y a eu une tendance au développement des modèles de bassin versant qui fournissent une représentation plus détaillée du cycle hydro1ogique. On dispose actuellement d'un grand nombre de modèles déter­ministes donnant une simulation continue de l'écoulement, dont quelques-uns sont utilisés en pré­vision. Trois modèles sont utilisés par les centres américains de prévision fluviale: le S.S.A.R.R. (U.S. Army Corps of Engineers, 1975), le modèle hydrologique de Sacramento (Burnash, 1973) et le modèle hydrologique du Service Météorologique National (N.O.A.A., 1972). Tous les 3 sont consignés dans une étude patronnée par l'OMM pour tester dix modèles hydrologiques (OMM, 1975b). Des applications du modèle de Sacramento (pages 300-306) et du modèle SSARR (pages 317-344) sont exposées dans AISH (1968). Les possibilités de HEC-1 sont exposées dans cette même publication (pages 258-267).

La plupart des méthodes de prévision exigent une information hydrométéorologique en temps utile. Le guide de l'OMM (1974)donne une description complète de l'appareillage dans le chapitre 2, la conception des réseaux dans le chapitre 3, la collecte des données, leur traitement et leur publication dans le chapitre 4. L'installation d'un système de prévision hydrologique représente un investissement important. Avant de faire de tels investissements, il est souhaitable d'exa­miner la valeur de la prévision. Day (1973) expose une méthode pour l'évaluation des coûts et bénéfices des prévisions hydrologiques.

L'exploitation d'un réservoir ne devrait pas totalement dépendre d'un système de communica­tions sujet à des défaillances, ni être liée à des moyens de calcul qui pourraient ne pas fonc­tionner en cas de danger. Pour assurer un bon fonctionnement de l'aménagement dans des situa­tions extrêmes, on peut conseiller de mettre au point un programme de lâchures d'urgences qui n'utilise que l'information dont peut disposer l'exploitant. HEC (1976) donne les grandes lignes de la marche à suivre pour réaliser des courbes d'instruction pour la manoeuvre des vannes.

L'exploitation d'un aménagement pour le contrôle des crues peut se trouver améliorer s'il est possible de tenir compte, pour la détermination des lâchures, des niveaux d'eaux aux points menacés en aval. Si l'écoulement local en aval et la capacité de débit du chenal sont connus, on peut déterminer les lâchures de façon qu'elles ne contribuent en rien à l'inondation des secteurs aval et que le débit total atteigne, sans la dépasser, la capacité de débit du canal au droit des zones menacées. Quand on multiplie les réservoirs, que le nombre de secteurs menacés augmente et que le temps de transfert s'allonge, la détermination des lâchures devient très compliquée. Le programme de calcul HEC-5 (HEC, 1979) a été mis au point pour permettre, lorsqu'un aménage­ment est utilisé pour contrôler les crues, de déterminer des lâchures aussi grandes que possibles sans encourir de danger et de simuler l'exploitation du système, les débits qui en résultent à l'aval et le coût des dommages. Le programme peut éventuellement tenir compte des débits fu­turs dans l'évaluation de l'incertitude de la prévision. Il peut aussi être limité quant au nombre de prériodes de débits futurs dont il tient compte. Si un programme de calcul tel que HEC doit être utilisé pour prendre des décisions opérationnelles en temps réel, il est néces­saire de mettre en oeuvre une méthode de prévision pour fournir les débits entrants dont on a besoin. La mise en oeuvre d'un modèle de simulation avec prévision des débits devrait toujours faire l'objet d'un examen critique avant que ses résultats soient utilisés pour le calcul de l'installation des vannes. On peut sans problème utiliser un modèle de simulation pour établir un plan d'exploitation, en simulant l'exploitation du système avec différentes séquences de débits obtenues par prévision (Eicherts, 1975).

Un schéma d'exploitation d'aménagement en vue de la protection contre les crues, qui prend comme hypothèse de toujours maintenir le débit aval en-dessous d'une valeur qui risquerait d'entraîner des dommagesaux secteurs menacés en aval, peut entraîner une sous-utilisation de la tranche de stockage réservée au contrôle des crues et créer une situation telle qu'on perde le contrôle de l'aménagement. On peut adopter un compromis qui consiste à n'adopter ce type d'ex­ploitation que jusqu'à un niveau donné du réservoir. Au-dessus de ce niveau, on ménage une zone de transition pour laquelle on procède à des lâchures suivant un programme pré-établi basé sur la progression de la crue. Au-dessus de la zone de transition, les lâchures sont programmées par la nécessité d'éviter la submersion du barrage. Dans la zone de transition, le plan d'ex­ploitation découle des résultats obtenus au cours d'études d'exploitation utilisant des crues historiques. L'exploitation d'un aménagement en vue de la protection contre les crues, basée sur le genre de critère variable, devrait normalement conduire de la manière la plus sûre aux bénéfices les plus intéressants (pages 7-11 de U.S. Department of the Army, 1959). Eichert (1975) fait la démonstration de l'utilisation du calcul des dommages de crue pour évaluer d'au­tres critères d'exploitation.

Dans un système à plusieurs réservoirs, on peut évaluer les lâchures en procédant réservoir par réservoir. Toutefois, on peut généralement accroître les bénéfices en utilisant l'analyse des systèmes pour la détermination des lâchures. L'étude de l'exploitation d'un système peut se faire en utilisant un programme de calcul général, tel que HEC-5 (HEC, 1979), pour mettre au point un ensemble de règles d'exploitation interdépendantes à appliquer lors du déroulement d'une crue. Si on dispose, en temps réel, de prévisions quantitatives des précipitations, on peut évaluer, à l'aide d'un programme de calcul, les lâchures à prévoir pour maximiser les bénéfices qu'on peut tirer du système (Eichert, 1975).

102

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*Rëférence de 1er ordre enanglais.

105

4'. 10 IMPACTS DES AMENAGEMENTS SUR L'ECOULEMENT, L'EVAPORATION, LE MOUVEMENT DES MATERIAUX, LES EAUX SOUTERRAINES ET LA QUALITE DE L'ENVIRONNEMENT

4.10.1 Introduction

Les aménagements concernant les eaux ont un effet sur les variations de l'écoulement des rivières dans le temps et dans l'espace, à la fois du point de vue quantitatif et du point de vue qualitatif. En plus de l'influence évidente de l'effet de stockage d'un réservoir sur les débits aval, les facteurs importants touchés par l'existence de l'aménagement sont 1'evaporation, les qualités chimiques de l'eau, les eaux souterraines et le mouvement des matériaux. Dans les aménagements qui comportent des réservoirs (Bureau of Reclamation, 1977) , 1'evaporation ré­duit la quantité d'eau disponible et affecte sa qualité, la sédimentation diminue le volume de stockage disponible, La quantification de ces impacts exige généralement des études détaillées utilisant la simulation. De telles études font généralement appel à des traitements sur ordina­teurs sophistiqués pour faire face à la complexité de la réalité physique et/ou aux stratégies de la gestion de l'eau. L'évaluation des conséquences d'un aménagement procède d'une comparaison des conditions du milieu avant et après sa réalisation et sa mise en service, en tenant compte des modifications vraisemblables du bassin au cours de la vie de l'aménagement (Pleshkov, 1975 et Shiklomanov, 1976). On trouvera dans Unesco (1980) et Unesco (1974) un exposé général sur les consquences de l'influence de l'homme sur les phénomènes hydrologiques. On trouvera une présentation d'ensemble de l'impact des grands aménagements hydrauliques sur le cycles hydrolo­gique et l'environnement en général dans Rodier (1974) et Shiklomanov (1979).

4.10.2 Impact des aménagements sur l'écoulement

4.10.2.1 Aménagements avec réservoir(s).. Les réservoirs à buts multiples, dont la capacité de stockage sert au contrôle des crues et à des fournitures (par exemple fourniture d'eau, énergie hydro-électrique, soutien des étiages, etc...), sont généralement conçus et ex­ploités pour assurer le contrôle d'une large gamme de débits. D'autres types de réservoirs conçus dans un seul but peuvent n'avoir d'effet sur les débits aval que pour une plus petite gamme de débits amont. Dans les deux cas, l'évaluation quantitative des impacts peuvent faire appel aux mêmes méthodes d'analyse. Une méthode simple de calcul manuel, entièrement basée sur l'équation de continuité, peut souvent convenir pour étudier la propagation des hydrogrammes de crues à travers des réservoirs (HEC, 1976, page 3-01 et HEC, 1977a, page 11). L'alimentation en eau, l'énergie hydro-électrique et d'autres aménagements destinés à la fourniture, peuvent être étudiés par des méthodes de bilan utilisant des pas de temps hebdomadaires ou mensuels (Sokolov, 1974, page 89). Dans quelques exemples, les réservoirs peuvent auqmenter le ruissellement par le fait que les précipitations tombant à même leur surface ne subissent pas de pertes par in­filtration. Les réservoirs peuvent aussi diminuer le ruissellement en augmentant 1'evaporation et les pertes souterraines.

Les demandes d'eau, la disponibilité en eau, ou les aspects économiques du problème (en plus des aspects hydrauliques de l'écoulement) ont souvent une influence sur la discrétisation spatiale et temporelle d'un système régional de réservoirs. Un aménagement à but multiples, prévu à la fois pour la protection contre les crues et la fourniture, sera d'autant mieux analysé qu'on utilisera des programmes de calculs permettant de simuler son exploitation (HEC, 1979, p. 11).

4.10.2.2. Aménagements sans réservoir. Les aménagements sans réservoir destinés à la protection contre les crues consistent en constructions de digues, en amélioration des lits des cours d'eau, en constructions capables de résister aux crues, en canaux et autres ouvrages de dérivation.

Les digues et l'amélioration des lits modifient la relation entre le débit et le stockage (ou le niveau) dans le bief de transfert. Cela peut affecter 1'hydrogramme de crue et de tels changements doivent faire l'objet d'une étude dans ce sens. Une approche analytique simple en­core qu'efficace peut être réalisée en combinant le calcul de la ligne d'eau avec la méthode modifiée de Puis pour la propagation (U.S* Department of the Army, 1969, page 11 et HEC, 1975, page 6.01) . Le fait de construire des structures capables de résister aux crues n'a en général aucun effet sur 1'hydrogramme à moins que des zones naturellement inondables s'en trouvent pro­tégées des crues. La dérivation des eaux de crues vers un estuaire ou un réservoir peut être étudiée par les méthodes de propagation exposées dans la Section 4.9 et dans Orlob (1977,volume 2).

Les aménagements sans réservoir destinés à l'irrigation ou à l'alimentation en eau ne sont généralement pas sensibles aux variations rapides de débits et peuvent être étudiés en utilisant les volumes écoulés hebdomadaires, mensuels, voire même saisonniers (Sokolov, 1974).

Les conséquences de l'entretien par dragage pour la navigation et pour la protection contre les crues peuvent être évaluées en utilisant les méthodes énumérées ci-dessus pour les aménage­ments sans réservoir. En général, le dragage d'entretien pour la navigation n'affecte pas

106

sensiblement1'hydrogramme d'écoulement dans la mesure où il ne modifie pas la relation hauteur-débit. Dans certaines conditions, le niveau s'en trouve toutefois abaissé et l'écoulement peut être influencé.

4.10.2.3 Systèmes d'aménagement à l'échelle du bassin. Les schémas de gestion des eaux comportent fréquemment de multiples aménagements pour stocker l'écoulement et/ou modifier sa destination et sa répartition dans le temps à travers un réseau de chenaux naturels ou arti­ficiels. Il faut analyser avec un grand soin les conséquences que ces aménagements pourront avoir sur les débits des cours d'eau et le bilan des eaux dans la région.

La construction des réservoirs entraîne une modification du volume écoulé dans les cours d'eau et de sa répartition dans le temps. Les modifications du volume peuvent être déterminées en calculant le bilan du réservoir et du bief concerné, à l'intérieur de la zone où est situé le réservoir (Sokolov, 1974). Dans le cas d'un système à plusieurs réservoirs, le bilan se cal­cule d'amont en aval, en commençant par les réservoirs situés en tête de bassin et en continuant vers l'aval. Pour l'établissement du bilan, les entrées se composent des lâchures, provenant des réservoirs situés en amont, des apports latéraux (du bassin partiel) en amont du barrage situé à l'aval, des rejets industriels et domestiques, de débits résiduels résultant de l'exploitation, de retours provenant des dérivations effectuées en amont et d'apports supplémentaires tels que ceux qui pourraient résulter de la régularisation de l'écoulement dans le cours d'eau entre les réservoirs étudiés.

Les sorties•comprennent les volumes d'eau lâchés ou évacués à partir du barrage, la con­sommation d'eau irrécupérable, 1'evaporation supplémentaire due à l'existence d'un plan d'eau dans la retenue (différence entre 1'evaporation d'une surface d'eau libre et l'évapotranspiration du sol), et les pertes souterraines hors de la région considérée. Le bilan peut être calculé à différents pas de temps, en général l'année ou le mois.

Bien que de simples méthodes manuelles de calcul puissent s'appliquer aussi bien pour des études d'aménagement à l'échelle du bassin que pour des aménagements isolés, une analyse effi­cace de l'évaluation des nombreuses combinaisons possibles d'aménagements avec ou. sans reser­voir, requiert l'utilisation d'ordinateurs. La simulation par ordinateur est la méthode la plus logique. L'analyse fait toujours appel aux débits réels observés ou calculés, mais on peut prendre en compte des chroniques synthétiques (HEC, 1972a, page 5.01). On dispose de pro­grammes de calcul pour évaluer les effets des systèmes de réservoirs multiples sur l'écoulement, le contrôle des crues et les demandes en énergie (HEC, 1976, page 12.01, et HEC, 1977a, pages 1-3).

4.10.3 Impacts des aménagements sur 1'evaporation

L'évaporationne prend en général quelque importance que pour les aménagements avec réservoirs destinés à une fourniture (c'est-à-dire: alimentation en eau, énergie hydro-électrique, irri­gation) . La plupart des modèles de simulation introduisent dans leurs calculs les pertes par evaporation en multipliant les surfaces de retenue, obtenues par la simulation par un taux d'evaporation. La plupart des méthodes de calcul de ce taux d'evaporation procèdent du bilan d'énergie (Sokolov, 1974, page 89; Krambeck, 1974, page 137; et Chow, 1964, section 11). La végétation aquatique peut être une source notable de pertes par évapotranspiration. Dans les régions tropicales, par exemple, la prolifération des jacinthes d'eau peut multiplier l'évapo­transpiration par deux ou trois (Guadiana, 1976, volume 3).

4.10.4 Impacts des aménagements sur la qualité de l'environnement

Les réservoirs et les autres aménagements destinés à la régularisation des cours d'eau peuvent affecter la qualité de l'environnement sur les rives et même un peu à l'intérieur des terres. Les grands projets d'irrigation peuvent accroître substantiellement l'humidité dans un envi­ronnement précédemment aride. Une modification radicale des écoulements naturels peut appor­ter des changements dans la flore et la faune environnantes. Pour l'essentiel, l'impact sur l'environnement se traduit par des modifications de la qualité des eaux. Les aspects qualité seront largement développés ici, bien que d'autres points concernés, tels que la préservation dumilieu pour une certaine vie sauvage et des changements dans le climat local, puissent avoir de l'importance en certains cas.

4.10.4.1 Aménagements avec réservoir(s). L'étude classique de la qualité des eaux concerne la température de l'eau, la demande biochimique en oxygène, l'oxygène dissous, la turbidité et d'autres propriétés chimiques et biologiques. En général, les aménagements com­portant des réservoirs ont une influence sur tous ces paramètres, et la détection de changements significatifs les concernant demande une analyse sur de courts intervalles de temps. D'habitude, on choisit une période critique, d'une durée d'au moins- 6 ou 7 mois, et on effectue l'étude en utilisant des méthodes qui font largement appel au calcul par ordinateur (HEC, 1972c, page 6-01). Le réservoir peut être divisé en couches horizontales dans lesquelles on évalue les constituants de la qualité de l'eau dans l'hypothèse de courants de densité stratifiés. En plus des apports,

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de la géométrie du réservoir, de la hauteur initiale dans le réservoir et des lâchures, on doit introduire des données sur les constituants de la qualité des apports et des paramètres météoro­logiques.

Un objectif fréquent des réservoirs est d'améliorer la qualité de l'eau des cours d'eau par un soutien des basses eaux. Les débits provenant des rejets municipaux ou industriels, ain­si que le lessivage diffus du sol par les précipitations contribuent à la pollution. Il est nécessaire de mettre en oeuvre une approche systémique pour être certain de bien en comprendre toutes les composantes et leurs conséquences et de les maîtriser (Whipple, 1977). Les contrain­tes relatives à la qualité des eaux dans les cours d'eau et dans les réservoirs doivent être prises en compte, en plus de celles qui relèvent de l'exploitation, pour la production d'énergie, l'alimentation en eau etc.. On dispose de modèles généraux pour simuler la qualité de l'eau dans les systèmes comportant des cours d'eau et des réservoirs (Cembrowicz, 1978; HEC, 1978; Straskraba, 1973, et Kriventsov, 1976). L'application de ces modèles écologiques est limitée par l'absence d'une vérité-terrain adaptée.

La construction de grands réservoirs peut avoir des effets considérables sur l'économie locale par suite des déplacements de population et des modifications qu'on doit apporter aux techniques de pêche (Ackermann, 1973) . La modification de l'écoulement naturel peut avoir des conséquences importantes sur la pêche en aval du barrage et les changements qui interviennent dans l'écosystème peut accroître les effets des parasites de l'homme (Detwyler, 1971 et Ackermann, 1973). Dans les pays industrialisés, la pollution peut être un facteur limitant pour l'utilisation de certains lacs et réservoirs.

4.10.4.2 Aménagements sans réservoir. Les aménagements qui ne comportent pas de réservoir ont aussi une influence sur la qualité de l'eau (Karr, 1978) par suite des modifica­tions qu'ils peuvent entraîner, soit dans la profondeur de l'écoulement, soit dans sa vitesse. Même s'ils ne modifient aucun de ces paramètres, ils peuvent, en modifiant l'utilisation de l'espace, introduire dans l'écoulement des constituants qui ne pourraient pas s'y trouver autre­ment. Il est important, dans l'évaluation des impacts des aménagements, d'introduire l'utilisa­tion du sol et d'autres changements qui ne sont pas englobés dans l'étude de base du projet, afin d'avoir une évaluation convenable de l'avenir de l'aménagement et de ses conditions d'ex­ploitation (Worthington, 1977; Nedra, 1978; Shiklomanov, 1976, HEC, 1977c, et Karaseff, 1975) .

4.10.5 Impacts des aménagements sur le mouvement des matériaux

Les problèmes posés par les matériaux peuvent être classés en trois grandes catégories: (a) réservoirs, (b) partie continentale des fleuves et rivières, et (c) régions estuariennes et côtières. Les distinctions essentielles entre les problèmes des réservoirs et ceux des estuai­res proviennent du fait que la gravité est en général la force principale qui intervient à l'entrée de l'écoulement dans un réservoir, tandis que les forces provenant de l'action de la marée et des vents sont souvent prédominantes dans les estuaires. Il s'ensuit que d'impor­tantes modifications chimiques interviennent lorsque l'écoulement passe à travers les estuaires. Les problèmes estuariens et côtiers ne sont pas traités dans le présent Guide.

4.10.5.1 Aménagement avec réservoir(s). Les transports solides sont la clef des problèmes de remplissage des réservoirs par sédimentation. Ils constituent la quantité totale de matériaux parvenant avec l'écoulement dans le réservoir. On peut trouver plusieurs méthodes pour calculer ces apports dans HEC, 1977b, page 5.01, et Vanoni,1975, page 437, et Karaushev, 1977. Voir le sous-chapitre 4.8.5 sur les tranches de stockage à réserver pour la sédimenta­tion dans le réservoir.

Les apports de matériaux s'expriment couramment en tonnes par an. On doit transformer cette expression en volumes, ce qui exige une estimation de la densité des dépôts. HEC, 1977b, page 2.01, suggère quelques valeurs typiques, mais on ne devrait les prendre que comme une première approximation, lors d'une application précise et s'efforcer de compléter l'information par des mesures sur des aménagements existants situés dans le voisinage de l'aménagement projeté.

Une fois les apports de matériaux convertis en volume, on peut utiliser une méthode manuelle de calcul basée sur l'efficacité d'interception du réservoir (HEC, 1977b, page 5.05, et Vanoni, 1975, page 580) pour estimer le volume de matériaux qui se déposera dans le réservoir au cours de la vie de l'aménagement. La sédimentation prend une forme de delta qui part de l'amont et se construit en direction du barrage. C'est pourquoi tous les niveaux de stockage dans le réservoir peuvent s'en trouver affectés. Le remous peut aussi être la cause d'une extension du phénomène vers l'amont, la sédimentation des matériaux tendant à diminuer progressivement la pente de la rivière, ce qui entraîne une sédimentation encore plus importante. HEC (1977b,page 5.01) présente une méthode manuelle pour étudier la répartition de ce volume à l'intérieur du réservoir. HEC (1977d) consiste en un programme permettant de calculer en détail la répartition du volume de dépôt, en procédant suivant des profils en travers échelonnés le long du réservoir.

108

Syrojezhin (1974) traite des méthodes d'évaluation concernant le mouvement des matériaux pour des ensembles d'usines hydro-électriques au fil de l'eau. Des méthodes permettant de calculer l'affouillement du lit à l'aval d'un barrage sont présentées dans HEC (1977b, page 5.32). Cette dernière référence décrit également l'affouillement potentiel et l'impact de-la sédimentation provenant de l'arrivée des écoulements d'un affluent dans le cours principal. Du fait que les variations de l'écoulement dans un cours d'eau en l'état naturel sont tempérées par le passage dans un réservoir, l'affouillement du lit en aval peut ne pas être aussi important qu'on pour­rait le penser au départ. Le déséquilibre apparent de la charge solide par rapport à ce qui se passe en conditions naturelles est compensée par la réduction de la capacité de transport due à une diminution de la variabilité du régime de l'écoulement (HEC, 1977b). Les méthodes de calcul modernes sont basées sur l'usage des ordinateurs (HEC, 1977b et 1977d). Des obser­vations insuffisantes sur les propriétés des sédiments limitent l'utilité de nombreuses études d'affouillement. Le programme de calcul de HEC (1977b) peut s'appliquer aussi bien aux études d'érosion du lit en aval du barrage, qu'à la sédimentation des matériaux dans les réservoirs.

Une autre source de matériaux susceptibles de se déposer dans les réservoirs est fournie par la végétation aquatique. Les végétaux morts se rassemblent dans le réservoir et altèrent à la fois sa capacité de stockage et la qualité de l'eau. Dans les régions tropicales, les jacinthes d'eau peuvent produire une tonne de sédiments par hectare et par jour (Guadiana,1976).

4.10.5.2 Aménagements sans réservoir. La plupart des problèmes de matières solides qui se posent dans le cas de cours d'eau non régularisés, tels que les dragages d'en­tretien pour la navigation, sont suffisamment complexes pour que, avant l'avènement des ordina­teurs, on ait dû se contenter d'estimations grossières. Ces problèmes mettent en jeu avant tout le charriage (Vanoni, 1975) et l'écoulement considéré est souvent bi-ou tridimensionnel. Actuellement, on s'en tient aux méthodes d'analyse uni-dimensionnelle (HEC, 1977d). Il s'en­suit que, pour les traiter, on doit commencer par simplifier les problèmes et que l'interpré­tation des résultats doit faire appel à des gens spécialisés en morphologie fluviale. Quel­ques modèles de. transport solides bidimensionnelsont été réalisés pour des estuaires et peuvent trouver quelque application dans les problèmes concernant les réservoirs (Orlob, 1977) . On doit souvent avoir recours à des modèles physiques. C'est ainsi que les affouillaments et les remblaiements au droit des ouvrages hydrauliques doivent souvent être étudiés sur des modèles hydrauliques, parce que la turbulence qui est la cause essentielle de l'affouillement, ne peut pas être mise en relation directe avec les fonctions mathématiques qui représentent le transport solide.

4.10.6 Impacts des aménagements sur les eaux souterraines

Le stockage souterrain de l'eau subit l'influence de nombreuses actions de l'homme qui modifient l'infiltration, la percolation, l'aquifère lui-même et les caractéristiques des écoulements à la sortie d'un système naturel d'eaux souterraines. On trouvera un exposé géné­ral sur l'hydrologie souterraine dans Sokolov (1974, page 64) et HEC (1972b). Un exposé dé­taillé sur les principes physiques de la percolation et des pertes par infiltration figure dans Bear (1968).

L'influence de l'homme sur un système naturel d'eaux souterraines commence à se.faire sentir quand on modifie l'exploitation du sol (Unesco, 1980; Unesco, 1974; et Nedra, 1978). L'urbanisation tend à augmenter le ruissellement et à diminuer la réalimentation des nappes. Des procédés de réalimentation artificielle ont été mis au point pour contrebalancer cet effet. L'évapotranspiration peut avoir un effet significatif sur le stockage de l'eau dans le sol (Sokolov, 1974, page 79).

Les aménagements qui ont pour but de régulariser les cours d'eau, tels que les réservoirs et les modifications du lit, peuvent augmenter ou diminuer le bilan net de la recharge des nappes. Les impacts des réservoirs sont exposés dans Unesco (1980) et Unesco (1974). Les modifications du stockage en bordure des cours d'eau et des réservoirs posent dès problèmes importants. Les pertes par infiltation à travers les barrages et les digues en terre posent, lors de l'élaboration des projets, un problème important qui est traité par le'Bureau of Reclamation (1977, page 165). L'impact des aménagements, comportant des réservoirs ou non, sur les eaux souterraines, peut être modélisé suivant des méthodes exposées dans HEC (1972b) et Fried (1975).

4.10.7 Impacts des aménagements sur la température de l'eau

4.10.7.1 Aménagements avec réservoir(s). Les études de la température de l'eau à l'aval d'un réservoir devraient prendre en considération la profondeur à laquelle l'eau est soutirée, aussi bien que l'importance de la lâchure. Elles devraient aussi tenir compte des conditions météorologiques pour évaluer l'influence sur le climat local et ses variations.

109

L'interaction entre l'atmosphère et les masses d'eau s'exprime essentiellement en termes de bi­lan d'énergie et par l'utilisation d'un certain nombre de formules empiriques (Orlob, 1977; Ackermann, 1973; IHD Norden, 1975, pp. 91-94; et Starosolszky, 1969, pp. 31-36). L'influence d'un réservoir sur la température de l'eau décroît généralement vers l'aval en fonction de la distance.

4.10.7.2 Aménagements sans réservoir. Les aménagements qui ne comportent pas de réservoir doivent normalement avoir peu d'influence sur la température de l'eau. Pourtant, si de l'eau doit être dérivée par des tunnels sur des distances assez longues, on peut arriver à des variations considérables de la température de l'eau dans la rivière principale (qui voit alors ses débits réduits) de même que dans la rivière où aboutit le tunnel; quand on transfère de l'eau d'un bassin à l'autre, il peut aussi se produire des modifications de la température dans les deux bassins.

Dans les deux cas, on utilise pour les calculs des méthodes basées sur le bilan d'eau et le bilan d'énergie (IHD Norden, 1975, pp. 91-94 et Starosolszky, 1969, pp. 31-36).

4.10.8 Impacts des aménagements sur les glaces

Dans les régions du globe où la température de l'air descend au-dessous de zéro une partie de l'année, et où les lacs et les rivières se couvrent plus ou moins de glace pendant une durée plus ou moins longue, un aménagement intervenant dans le bassin induira normalement des modifi­cations dans le régime des glaces.

4.10.8.1 Aménagements avec réservoir(s). L'action régulatrice des réservoirsmis en service dans un bassin versant, en modifiant les débits d'hiver et éventuellement en les augmentant, doit normalement se traduire par une modification très importante du régime des glaces. Cet effet peut se faire sentir dans le réservoir lui-même ou à son aval. Les varia­tions du niveau de l'eau dans le réservoir accroissent le risque de craquèlement du couvert de glace le long des rives, qui peut provoquer un épanchement de l'eau sur la glace et poser des problèmes de circulation au passage de la glace à la terre ferme, particulièrement lorsque les rives sont escarpées et/ou accidentées (Starosolszky, 1969).

Le débit des prélèvements à partir du réservoir, ainsi que le changement de position de la prise d'eau peuvent également modifier le couvert de glace dans le réservoir. Les plus grandes modifications se produiront en aval du réservoir à cause des changements apportés au régime naturel de l'écoulement et de la température. Une augmentation de la production de frazil et de glace de fond favorise la formation d'embâcles, ce qui peut accroître les risques de charriage des glaces et de crues dans le cours d'eau. Quelques-uns de ces problèmes peuvent être résolus par des travaux hydrauliques, comme le rétrécissement du lit de la rivière ou la construction de seuils (Starosolszky, 1969). Durant l'hiver, la température des lâchures sera d'autant plus élevée, que les prélèvements seront effectués à une plus grande profondeur. Il peut en résulter un allongement des biefs libres de glace et une diminution de l'épaisseur de la couche de glace dans les lacs situés en aval. Les calculs font couramment appel à la fois aux méthodes de bilan d'énergie air-eau et à la dynamique des glaces (Starosolszky, 1969).

Le fait d'augmenter les débits en hiver se traduit aussi par une augmentation des apports en eau douce dans les zones côtières, ce qui peut y favoriser la formation de glaces. On peut réduire cet effet en mélangeant l'eau douce à l'eau salée en aménageant des exutoires en pro­fondeur ou en installant des machines à bulles d'air (Starosolszky, 1969, pp. 130-141).

4.10.8.2 Aménagements sans réservoir. Les aménagements qui ne comportent pas de réservoirs ne peuvent normalement avoir que peu d'influence sur le régime des glaces en comparaison de ceux qui en ont. Une amélioration des chenaux peut toutefois avoir un effet négatif sur le régime des glaces à cause de la modification des vitesses, comme cela peut se produire quand on utilise des tunnels de dérivation et quand on transfère de l'eau d'un bassin dans un autre (Starosolszky, 1969, pp. 130-141).

4.10.9 Utilisations des ordinateurs pour l'ensemble des investigations sur les aspects quantitatifs et qualitatifs des ressources en eau

Le développement d'un aménagement des eaux à grande échelle se traduit par la formation d'un ensemble aquatique dont les propriétés quantitatives et qualitatives présentent de notables différences avec les conditions antérieures à cet aménagement. Il existe de nombreuses méthodes pour aider l'ingénieur hydrologue à analyser ou quantifier les modifications auxquelles on peut s'attendre. Quelques-unes de ces méthodes, parmi celles qui appréhendent le moins complètement le problème, peuvent se contenter de calculs à la main, mais les plus modernes s'appuient sur l'utilisation d'ordinateurs puissants à grande capacité de mémoire. Les méthodes qui permettent une analyse du fonctionnement du bassin dans son ensemble sont essentiellement des combinaisons des procédés exposés dans les paragraphes qui précèdent. Une approche systémique globale a cependant son importance pour les problèmes complexes qui se posent de nos jours dans la gestion

110

des ressources en eau. Une analyse d'ensemble des modifications dues à l'action de l'homme passe en de nombreux cas par l'évaluation des impacts qui en résultent très loin à l'aval desdites modifications.

Les systèmes hydrographiques (réservoirs et cours d'eau), surtout quand ils sont particu­lièrement grands, sont généralement aménagés pour une exploitation à buts multiples. On en tire souvent profit pour la production d'énergie hydraulique, la protection contre les crues, les loisirs, la navigation, la pêche et la vie aquatique, l'alimentation en eau municipale et industrielle, l'irrigation et, dans certains cas, l'amélioration de la qualité des eaux. Les bénéfices associés à un de ces objectifs (par exemple le contrôle des crues) sont fréquemment en concurrence directe avec les bénéfices associés à d'autres objectifs (par exemple la pro­duction d'énergie, les loisirs, l'alimentation en eau, etc...). Les projets qui ne comportent pas de réservoirs concernent des digues, des aménagements de chenaux, des dragages, des aménagements portuaires, l'aménagement d'estuaires ou de terres inondées, des écluses et des barrages, des transferts d'eau de bassin à bassin, des modifications de l'utilisation de l'es­pace, des usines de traitement des eaux usées, le positionnement de points de prélèvement ou d'arrivée d'eau dans les chenaux naturels ou artificiels. Il s'agit là d'une liste incomplète mais qui permet de se faire une idée sur les catégories d'aménagements qui peuvent avoir une influence qualitative et quantitative sur l'écoulement dans un système aquatique ne comportant pas de réservoir. On peut avoir à mettre en,oeuvre plusieurs modèles pour évaluer tous les objectifs possibles d'un aménagement. On peut trouver une information de base sur les modèles et la simulation en appendice au chapitre 4.

111

Références

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(A commander à d'après le tableau 1.2)

B-2

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B-ll

A-6

B-32 or B-52

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B-32 or B-52

* Référence de 1er ordre en anglais (1) Epuisé¿ voir en bibliothèques.

112

(A commander à

d'après le tableau 1.2)

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*Réfërences de 1er ordre en anglais (1) Gratuit (2) Copies Xerox disponibles au coût approximatif de 40$US (3) Coût 30F

B-68

B-72

B-42 (2)

B-68

B-46 (3)

113

(A

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d'après tableau

A-7 (1)

B-35

B-49

B-67

B-51

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Paris. (Studies and A-7

1980. Casebook of methods of computation of quantative changes in the hydrological regime due to human activities. Paris. ( Studies and Reports in hydrology, 28).

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A-7

B-3

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B-38

•Référence de 1er ordre en anglais (l)Epuisé; voir en bibliothèques

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APPENDICE AU CHAPITRE 4 : METHODES DE CALCUL DES PARAMETRES HYDROLOGIQUES POUR L'ELABORATION DES PROJETS D'AMENAGEMENT DES EAUX

Modèle mathématique d'application générale

On élabore un modèle mathématique généralisé (c'est-à-dire un programme de calcul pour ordina­teurs) avec l'intention de s'en servir dans de nombreuses situations particulières présentant des conditions physiques très différentes. Il faudrait qu'un tel modèle n'ait à subir aucune modification, ou des modifications mineures, dans la plupart de ses applications. Dans ce qui précède, on n'a présenté que des modèles généralisés, conçus pour servir à l'aménagement des ressources en eau, qui soient vraiment disponibles et pour lesquels on dispose d'une documenta­tion suffisante. On va exposer maintenant les avantages et les inconvénients qui peuvent conditionner le choix d'un modèle. Les détails concernant chacun des modèles se trouvent dans les documents cités en référence. Tous les modèles indiqués ci-après sont écrits en FORTRAN. Aucun modèle couvert par un droit de propriété n'est compris dans cette présentation. Quelques-uns des modèles qui suivent sont décrits plus en détail par Bowers (1972). Si on désire s'in­former sur d'autres modèles, également disponibles, on peut se reporter à Orlob (1977, appen­dice C). Des comparaisons entre les modèles ont été faites par Brown (1974) et Brandstetter (1976) mais elles portent de façon spécifique sur les possibilités des modèles dans le domaine de l'hydrologie urbaine.

L'Organisation Météorologique Mondiale (OMM) a demarré en 1964, pour le terminer en 1974, un projet d'intercomparaison des modèles conceptuels pluies-débits utilisés pour la prévision en hydrologie opérationnelle. Le but de ce projet était de procéder à une évaluation des modèles pluies-débits opérationnels utilisant le calcul par ordinateur pour élaborer des prévisions de débits à court-terme, de fournir une information et de servir de guide pour l'utilisation de ce type de modèles dans les différents aspects que peut prendre la prévision, suivant les conditions particulières et la précision requise. Le projet comportait l'essai de dix modèles proposés par sept pays sur des ensembles de données standard provenant de six bas­sins fluviaux, situés dans six_ pays différents et présentant des conditions climatologiques et géographiques différentes. Le rapport final a été diffusé par l'OMM en 1975. Dans la foulée, l'OMM a démarré en 1976 un second projet international sur 1'intercomparaison des modèles d'écou­lement de fonte de neige appliqués à la prévision hydrologique. Quatorze modèles de cette sorte sont en cours d'essai sur sept ensembles standard de données provenant de bassins fluviaux, fournis par sept pays différents.

Dans les sections qui suivent, on présente quelques-uns des modèles généralisés les plus couramment utilisés. Il existe beaucoup d'autres modèles, mais il n'est pas possible de les exposer tous dans le cadre limité de la présente publication (Voir aussi Bowers, 1977).

1 HEC-1

HEC-1 (HEC, 1973) est fait pour traiter une averse isolée et n'est pas capable d'effectuer une simulation continue de longue durée. Il ne considère que l'aspect quantitatif, mais suffit à la plupart des calculs concernant l'élaboration d'un hydrogramme de crue à partir des précipita­tions dans un bassin versant complexe. Le hyétogramme utilisé doit se rapporter à une averse unique,hypothétique ou observée, car le modèle ne permet pas de tenir compte de l'évolution des réserves du sol entre deux précipitations.

On peut utiliser le programme pour optimiser des paramètres donnés d'une relation précipi­tations-débits ou d'un processus de propagation, en vue de parvenir au meilleur ajustement compte tenu des hydrogrammes observés et des précipitations.

En matière de modélisation d'un bassin versant le programme donne plusieurs méthodes pour entrer et distribuer la précipitation, la traiter en tant que pluie ou en tant que neige, cal­culer les pertes et les excédents de pluie et de fonte de neige, déterminer les hydrogrammes à la sortie des bassins partiels en s'appuyant sur la méthode de 1'hydrogramme unitaire et pro­pager des hydrogrammes par des méthodes hydrologiques. On dispose en option d'une sortie graphique des hydrogrammes et des hyétogrammes. Le programme a été très largement utilisé pour tous les aspects des études de contrôle des crues. On peut s'en servir pour modéliser un sys­tème de réservoirs lorsque les lâchures sont régies par des relations fixes entre l'état de la réserve et le débit.

2 SSARR

SSARR (U.S. Army Corps of Engineers, 1975) est un modèle de simulation continue conçu pour déterminer les écoulements dans un bassin fluvial à partir de la fonte de la neige et de la pluie. Il comprend trois composantes fondamentales:

115

a. Un modèle généralisé de bassin versant pour reconstituer le ruissellement à partir de la fonte de la neige, de la pluie, ou d'une combinaison des deux.

b. Un modèle de système fluvial pour assurer la propagation des débits de l'amont vers l'aval à travers les chenaux et les lacs. La propagation des débits peut être rep­résentée par des relations à plusieurs variables tenant compte des effets des remous occasionnés par les marées et les réservoirs.

c. Un modèle de régularisation par réservoir qui permet de simuler les variations du débit sortant et du volume de la réserve pour un hydrogramme entrant prédéterminé ou synthétisé. Les lâchures doivent être fixées a priori ou conditionnées par des relations déterminées entre l'état de la réserve et le débit.

Dans l'application du modèle SSAKR, le succès dépend de la façon dont sont établis les divers paramètres et relations relatifs à tel bassin ou tel système fluvial. Certaines rela­tions ont un caractère général et peuvent donc s'appliquer à de nombreux bassins partiels à l'intérieur d'un système plus vaste. D'autres peuvent être établies pour tel bassin particulier.

Le modèle SSARR permet de simuler à la fois des grands et des petits bassins, qu'il y ait ou non des apports dus à la fonte de neige. Le mode de calcul de la fonte de la neige est ce­lui qu'on utilise pour les régions montagneuses du Nord-Ouest des ETATS-UNIS.

3. Modèle hydrologique de simulation

Le programme de simulation hydrologique (Johanson, 1979 et Grimsrud, 1979) est une évolution du modèle de Stanford (Crawford, 1966); c'est un modèle de simulation continue de l'hydrologie d'un bassin versant. Le modèle ne peut servir qu'à l'analyse du bassin versant: il ne peut simuler automatiquement l'exploitation d'un réservoir en fonction des débits aval, mais il peut rendre compte du comportement hydrologique de bassins fluviaux complexes. C'est un modèle e'n deux phases qui traite séparément les phénomènes relatifs au sol et l'écoulement dans le réseau hydrographique. La phase sol modelise l'interception, l'infiltration, le ruissellement de sur­face et retardé, l'évapotranspiration et le stockage de surface. Il prend aussi en compte le stockage dans les différentes zones du sol et dans la nappe, et l'écoulement souterrain. Les entrées, pour cette phase du modèle, sont la pluie et d'autres données climatologiques; elle produit les débits entrant dans la phase réseau, Pour tenir compte de l'humidité du sol, on utilise un procédé dans lequel le mouvement de l'eau dans le sol est régi par l'état d'humidité dans les différentes zones du sol et par un certain nombre de constantes qui sont censées repré­senter les propriétés physiques du bassin.

La phase réseau hydrographique du modèle utilise en entrée la sortie de la phase sol pour produire 1'hydrogramme de sortie du bassin; elle procède en deux étapes. On utilise d'abord un modèle de propagation de type temps-surface dans lequel un histogramme temps-retard permet de simuler le délai de transmission entre le moment où les débits entrent dans le réseau et celui où ils arrivent à l'exutoire. L'écoulement ainsi obtenu est alors laminé à travers un réservoir conceptuel pour simuler l'effet de stockage du réseau hydrographique. C'est ainsi que l'écoulement sortant de la phase sol est traité par ces deux méthodes pour simuler l'effet du réseau et produire un hydrogramme à l'exutoire du bassin.

4. SWMM

Le modèle de gestion des eaux d'orages de l'Agence américaine pour la protection de l'environ­nement (Brandstette, 1976 et Huber, 1975 et 1977) simule le fonctionnement d'un réseau d'égouts destiné à la fois à l'évacuation des eaux d'orages et à celle des eaux usées. Il calcule le ruissellement de ces deux composantes sur plusieurs bassins et simule la propagation des débits dans un réseau d'égouts à tracé convergent. On peut représenter les ouvrages de dérivation et simuler l'effet de stockage aussi bien pour les bassins de rétention de simple transit que pour ceux qui servent d'évacuateurs. Des dispositions particulières permettent au modèle de simuler également le fonctionnement des collecteurs en régime non permanent.

Pour chaque bassin modelise, le modèle calcule les matières en suspension et précipitables, la demande biochimique et chimique en oxygène, les colibacilles, le phosphore, l'azote, les hydrocarbures et les graisses, aussi bien pendant les orages que par temps sec, et assure le transfert de ces paramètres à travers le réseau d'égouts. Le modèle contient des algorithmes permettant de simuler différentes combinaisons de procédés de traitement des eaux de ruissel­lement, pour une usine de traitement, afin d'évaluer l'efficacité de ce traitement. Le modèle est limité à la simulation d'événements isolés.

5. Modèle à réservoirs

M. Sugawara, du Centre national japonais de recherche sur la prévention des désastres a mis au point un modèle à réservoirs (Sugawara, 1974 et 1979) pour l'analyse du ruissellement dans les

116

régions humides et non-humides. Le modèle destiné aux régions humides suppose que le sol est toujours mouillé (soit par la pluie, soit par l'eau souterraine) pendant la période de simula­tion. La formulation du modèle destiné aux régions non-humides prend en compte l'effet de l'humidité du sol en réservant un volume convenable dans le réservoir supérieur. Le bassin non-humide est divisé en un certain nombre de zones humides et sèches dont les tailles varient suivant les pluies et l'humidité du sol qui en résulte.

Le ruissellement sur le bassin est représenté par une série de réservoirs verticaux à partir desquels l'écoulement se fait à la fois horizontalement et verticalement. Le volume d'eau stocké-dans les réservoirs est fonction du volume d'eau retenu dans les différentes parties du sol. Le débit sortant d'un réservoir dépend du débit sortant de la partie du sol qu'il représente, et sert lui-même de débit entrant (par percolation) dans le réservoir suivant, immédiatement inférieur. Le réservoir le plus haut représente le ruissellement, le second le ruissellement intermédiaire ou différé, les troisième, quatrième et plus représentant l'humidi­té des couches profondes du sol et l'écoulement souterrain. L'évapotranspiration est déduite du réservoir le plus haut. La somme des écoulements qui sortent d'un sous-bassin se déverse dans le cours d'eau où sa propagation est simulée en se servant également de réservoirs. Le nombre et la dimension des orifices de sortie des réservoirs déterminent le retard dans la propagation et l'atténuation de 1'hydrogramme transféré.

Le modèle à réservoir a été utilisé avec succès pour plusieurs cours d'eau du Japon. Les parties essentielles du programme de calcul sont données dans l'appendice de Sugawara, 1974.

6. Système de contraintes linéaires (CLS)

Dans la modélisation de la transformation pluie-débit par le système de contraintes linéaires (CLS) (Martelli, 1977), le processus continu de la transformation est simulé par un ensemble de systèmes linéaires simples agissant en même temps. Quand on utilise ce modèle, on s'efforce de simplifier autant que possible en n'utilisant que le nombre de systèmes linéaires strictement indispensable pour obtenir la précision cherchée dans l'ajustement aux débits ob­servés des débits qui découlent de sonapplication. En utilisant une programmation quadratique et des systèmes de contraintes linéaires, il est possible d'utiliser des entrées multiples tout en obtenant des estimations individuelles des fonctions de réponse (hydrogrammes unitaires instantanés) qui présentent une variance minimale et un biais réduit. La méthode CLS consiste à estimer les pluies excédentaires sur la surface d'un bassin en se basant sur la pluie antérieu­re cumulée. Quand on a de bonnes données sur des bassins complexes, il est possible d'évaluer les précipitations séparément sur un certain nombre de bassins partiels et d'introduire égale­ment les débits d'amont, si on les connaît, comme des entrées séparées dont on simule le transfert par un opérateur fonctionnel dérivé du CLS.

On s'est aperçu qu'il suffit en pratique de trois entrées pour obtenir un ajustement suffisant et que si on en rajoute, on ne gagne pas grand chose en précision sur les prévisions obtenues à cause de l'importance des erreurs de mesure dans la plupart des échantillons de données pluies-débits. On a constaté qu'il était facile de régler ce modèle et d'obtenir des prévisions relativement précises avec un minimum de données et un coût minimal de calcul. Le procédé CLS a été utilisé en Italie pour réaliser le modèle mathématique de la rivière ARNO et appliqué en 1979 avec succès, comme modèle de propagation, pour la modélisation du Nil et de ses principaux affluents (Martelli, 1977).

7. STORM Le modèle dit "Storage, Treatment, Overflow Runoff Model"(STORM), qu'on peut traduire par "modèle pour la simulation du rulsellement urbain, son stockage et son traitement (épuration)", (Brandstetter, 1976 et HEC, 1977), est un modèle de simulation continue conçu pour aider à l'établissement du plan directeur d'une grande ville en ce qui concerne l'évaluation des capaci­tés de stockage et de traitement nécessaires à l'atténuation des effets du ruissellement urbain. Il permet aussi de calculer l'évolution de la charge en polluants (débits en poids) pour l'utiliser ensuite dans un modèle d'évaluation global du système de collecte.

STORM étant destiné aux études de planification pour faire un choix entre différentes solutions, un certain nombre des techniques d'analyse qui le composent sont nécessairement simplifiées. Par exemple, les deux procédés utilisés pour calculer les volumes ruisellés sont ceux du coefficient de ruissellement et du U.S. Soil Conservation Service (SCS). Dans la première méthode, on applique un seul coefficient de ruissellement, pondéré suivant le mode d'utilisation du sol, à la pluie excédentaire disponible pour chaque intervalle de une heure dans la zone du stockage de surface, pour calculer le ruissellement. Le coefficient de ruis­sellement global ne dépend que des coefficients de ruissellement adoptés respectivement pour les surfaces perméables et imperméables du bassin. Les conditions antérieures et l'intensité de la pluie ne sont pas prises encompte par cette méthode.

La méthode du SCS, basée sur des courbes de ruissellement numérotées est considérée comme plus correcte, du point de vue conceptuel, que celle du coefficient. Elle utilise une relation

117

non-linéaire entre la pluie cumulée et le ruissellement cumulé. STORM devant travailler en continue, on a adjoint à la méthode du SCS une procédure qui permet de déterminer le numéro de la courbe pour chaque événement, en se basant sur le nombre d'heures sans pluie depuis le précédent ruissellement et sur l'évapotranspiration et la percolation avant l'événement étudié. On peut utiliser des hydrogrammes unitaires pour transformer les volumes ruisselés en hydro­grammes à l'exutoire du bassin.

Le modèle calcule les charges et les concentrations pour six paramètres essentiels de la qualité de l'eau: matières en suspension et précipitables, demande biochimique en oxygène, azote total, orthophosphate total, colibacille total. Les surface urbanisées ou non peuvent être caractérisées par jusqu'à 20 catégories d'utilisation du sol. D'autres caractéristiques de STORM sont ses possibilités de calcul de la fonte de neige à partir des chutes de neige, d'évaluation quantitative et qualitative de l'écoulement pendant les périodes sans pluies et de l'érosion superficielle. STORM peut également recevoir en entrée des hydrogrammes pour cal­culer le lessivage correspondant des constituants de la pollution et/ou du transport solide.

8. WQRRS

Le WQRSS, modèle de qualité des eaux pour les systèmes cours d'eau-réservoirs (HEC, 1978: "Water quality for River-Reservoir Systems") est capable d'évaluer les paramètres écologiques concernant les cours d'eau ou les réservoirs. C'est un modèle de simulation dynamique continu. Il est constitué par trois modules distincts mais integrables: un module "réservoirs", un module "hydraulique" pour cours d'eau et un module "qualité" pour cours d'eau. Puisqu'à chaque module correspond un programme qui se suffit à lui-même, les opérations concernant le réservoir, la propagation de l'écoulement ou la qualité de l'eau dans le réseau, peuvent être exécutées de façon indépendante.Les trois programmes de calcul peuvent aussi être intégrés pour une analyse complète de la qualité de l'eau dans un bassin fluvial.

Le module "réservoir" du programme permet d'évaluer l'état qualitatif de l'eau dans des retenues profondes pouvant être représentées par des systèmes unidimensionnels dans lesquels les isothermes, ou les courbes isoplèthes relatives à tout autre paramètre, sont horizontales. Cette approximation est généralement satisfaisante pour les lacs ayant de longs temps de séjour. Elle l'est.toutefois moins dans les retenues peu profondes ou dans celles qui sont rapidement traversées par l'écoulement. Dans ces dernières, les couches sont complètement mélangées et on doit les traiter comme des cours d'eau à écoulement lent en utilisant le module'tours d'eau"du modèle.

Le module "hydraulique" pour cours d'eau comporte six options pour les calculs hydrauli-.ques. Il est capable de rendre compte du comportement hydraulique pour un régime d'écoulement "graduellement varié" aussi bien permanent que variable. Il peut simuler les points d'écoule­ment provenant du ruissellement des averses ou de l'irrégularité des lâchures pour la production d'énergie.

Le module "qualité" pour cours d'eau permet de traduire le taux de transport des variables concernant la qualité et de simuler les charges maximales en polluants dans des conditions d'écoulement permanent ou .variable. Les modules "cours d'eau" de WQRRS ont deux options d'inter­face automatique permettant de les connecter au modèle STORM. Grims.rud (1975) peut servir de guide pour évaluer dans quelle mesure les différents modèles de qualité des eaux peuvent s'appliquer aux différents objectifs de la planification.

9. HEC-5

HEC-5 (HEC, 1979) est destiné à apporter une aide aux études de planification, en ce qui con­cerne l'évaluation de l'exploitation des systèmes de réservoirs et au dimensionnement des réservoirs pour le contrôle des crues et l'alimentation en eau,dans chaque scénario envisagé. On peut utiliser le programme dans des études faites immédiatement après l'arrivée d'une crue pour évaluer la situation d'avant la réalisation d'un aménagement et pour mettre en évidence les effets de réservoirs existants et/ou en projet sur les écoulements et les dommages causés au système. Le programme devrait aussi avoir son utilité pour programmer les lâchures en période de fortes crues dans le but de minimiser les inondations autant que faire se peut et vider alors le système aussi rapidement que possible, tout en conservant un certain équilibre des tranches réservées au contrôle des crues entre les différents réservoirs.

On atteint les objectifs ci-dessus en simulant l'exploitation d'un système de réservoirs â buts multiples d'une configuration quelconque en utilisant, avec un pas de temps de courte durée, des crues historiques ou synthétiques, ou pour des périodes sans crue de longue durée, ou en combinant les deux. En particulier, on peut utiliser ce programme pour déterminer:

a. Les besoins en stockage pour le contrôle des crues et la fourniture (y compris l'énergie) pour chacun des réservoirs du système.

118

b. L'influence d'un système de réservoirs sur la répartition spatiotemporelle de l'écoulement dans un bassin.

c. Le choix de critères d'exploitation à la fois pour le contrôle des crues et la fourniture (y compris l'énergie) pour un système de réservoirs.

d. Les dommages des crues auxquels on peut s'attendre en moyenne chaque année, les coûts des systèmes et les bénéfices nets qu'on peut tirer de l'atténuation des dommages.

e. Le système de réservoirs existants et proposés ou d'autres solutions y compris celles qui ne comportent d'édification d'ouvrage, conduisant à un bénéfice net maximal du contrôle des crues: on procède par des simulations appliquées à différents systèmes présélectionnés.

Le modèle est capable de programmer les lâchures à partir des réservoirs en se basant sur les conditions aval et son emploi n'est pas limité aux cas où le débit de sortie dépend unique­ment de l'état des réserves.

Des modèles ayant des possibilités semblables ont été mis au point dans d'autres pays (United Nations,1978).

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Références

(A commander à d'après le tableau 1.2)

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Grimsrud, P. G. Franz, D. D.; Johanson, R. C ; Crawford, N. H. 1979. Executive B-55 summary for hydrological simulation program - FORTRAN. EPA Contract 68-01-5801. Washington, D.C. Environmental Protection Agency (80 pp.)

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Huber, W. C , et al. 1977. Storm water management model, Level 1 Preliminary B-32 Screening Procedures EPA Project No. R-802411. Washington, D.C, Environmental Protection Agency, (286 pp.). (NTIS Order No. PB-259 916/AS).

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Johanson, R. C ; Imhoff, J. C ; Davis, Harley H., Jr. 1979. Users manual for the B-32 hydrological simulation program - FORTRAN, final report for EPA Grant R804971. Washington, D.C, Environmental Protection Agency (650 pp.).

*Réfërences de 1er ordre en anglais (1) Epuisé; On peut demander des copies à la Université du Minnesota (2) Copies Xerox pour environ 31$US (microfiche à 15$)

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(A commander à d'après le tableau 1.2)

*Orlob, G. T. 1977. Mathematical modeling of surface water Impoundments. B-42 (1) California, Resource Management Associates, Inc.

Sugawara, M.; Ozaki, E.; Watanabe, I.; Katsuyama, S. 1974. Tank model and its B-31 (2) application to Bird Creek, Vollombi Brook, Bikin River, Kitsu River, Sonaga River and Nam Mune. Tokyo, Japan, Science and Technology Agency. (Research Note of National Research Center for Disaster Prevention.)

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WMO. 1975. Intercomparison of conceptual models used in operational hydrological A-10 forecasting. Operational hydrology report no. 7. (WMO-No. 429). Geneva.

*Référence de 1er ordre en anglais (1) Copie Xérox à environ 40$US (2) Stock limite (3) Prix approximatif: 520 $US, plus 5% de frais d'envoi.

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Tites des publications parues dans cette collection :

1. The use of analog and digital computers in hydrology. Proceedings of the Tucson Symposium, June 1966 /L'utilisation des calculatrices analogiques et des ordinateurs en hydrologie : Actes du colloque de Tucson, juin 1966. Vol. 1 et 2. Co-edition lA.SH-Uncsco ¡Coédition AJHS-Uncsco.

2. Water in the unsaturated zone. Proceedings of the Wageningen Symposium, August 1967 / L'eau dans la zone non saturée: Actes dy symposium de Wageningen, août 1967. Edited by / Edité par P. E. Rijtema & H . Wassink. Voj. 1 et 2. Co-edition J ASH-Unesco / Coédition AIMS- Unesco.

3. Floods and their computation. Proceedings of the Leningrad Symposium, August 1967/ Les crues et leur évaluation : Actes du colloque de Leningrad, août 1967. Vol. 1 et 2. Co-edition IASH-Unesco-WMO/Coédition AIHS-Unesco-OMM.

4. Representative and experimental basins. A n international guide for research and practice. Edited by C . Toebes and V . Ouryvaev. Published by Unesco. (Will also appear in Russian 3nd Spanish) / Les bassins représentatifs et expérimentaux : Cuide international des pratiques en matière de recherche. Publié sous la direction de C. Toebes et V . Ouryvaev. Publié par l'Unesco. (A paraître également en espagnol et en russe).

5. Discharge of selected rivers of the world / Débit de certains cours d'eau du monde / Caudal de algunos ríos del m u n d o / Pacxoabi Boaw H36paHHbix pex MHpa. Published by Unesco /'Publié, par ¡'Unesco.

Vol. I : General and regime characteristics of stations selected / Vol. 1 : Caractéristiques générales et caractéristiques du régime des stations choisies/Vol. I : Características generales y características del régimen de las estaciones seleccionadas / T O M I : OôiuHe H peaoiMHbie xapaxTepHCTHKH H36paHHbix CTaHimñ.

Vol. Il : Monthly and annual discharges recorded at various selected stations (from start of observations up to 1964)/Vol. Il : Débijs mensuels et annuels enregistrés en diverses stations sélectionnées (de l'origine des obser­vations â l'année 1964)/Vol. II : Caudales mensuales y anuales registrados en diversas estaciones seleccionadas (desde el comienzo de las observaciones hasta el año 1964)/ T O M II: MecHNHbie H roflOBbie pacxoabí Boabí, 3aperHCTpHpoBaHHbie pa3J»rHHbiMH H36paHHbiMM cTaj-muflMH (c Haqajia Ha6jnofleHHH flo 1964 roña).

Vol. Ill : Mean monthly and extreme discharges (1965-1969)/ Vol. Ill : Débits mensuels moyens et débits extrêmes (1965-1969) /Vol . III: Caudales mensuales medianos y caudales extremos (1965-1969) / T O M III: Cpejme-MecHHHbie H 3KCTpeMajibHbie pacxoflbi (1965-1969 rr.).

Vol. III (part II) : Mean monthly and extreme discharges (1969-1972)/Vol. Ill (partie II) : Débits mensuels moyens et débits extrêmes (1969-1972)/Vol. III (parte II) : Caudales mensuales medianos y caudales extremos ( 1 9 6 9 - 1 9 7 2 ) / T O M III («jacTbll): CpeflHe-MecHMHbieH 3KcrpeMajibHbie pacxoflbi (1969-1972 rr.).

Vol.Ill (part III) : Mean monthly and extreme discharges (1972-1975) (English, French, Spanish, Russian). 6. List of International Hydrologieal Decade Stations of the world / Liste des stations de la Décennie hydrologique inter­

nationale existant dans le monde / Lista de las estaciones del Decenio Hidrológico Internacional del m u n d o / CnucoK CTaHUHH MexxryHapoflHoro rHflpojiorawecKoro AecHrmieTHH 3eMHoro mapa. Published by Unesco /Publié par ¡'Unesco.

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9. Hydrology of deltas. Proceedings of the Bucharest Symposium, May 1969 / Hydrologie des deltas : Actes du colloque de Bucarest, mai 1969. Vol. 1 et 2. Co-edition IASH-Unesco / Coédition AIHS-Unesco.

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13. Hydrometry : Proceedings of the Koblenz Symposium, September 1970/ Hydrométrie : Actes du colloque de Coblence, septembre 1970. Co-edition IAHS-Unesco-WMO / Coédition AIHS-Unesco-OMM.

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25. World water balance and water resources of the earth. 26. Impact of urbanization and industrialization on water resources planning and management. 27. Socio-economic aspects of urban hydrology. 28. Casebook of methods of computation of quantitative changes in the hydrological regime of river basins due to h u m a n

activities. 29. Surface water and groundwater interaction. 30. Aquifer contamination and protection. 31. Methods of computation of the water balance of large lakes and reservoirs. Vol. 1 '. Methodology. Vol. 11 : Case studies. 32. Application of results from representative and experimental basins. 33. Groundwater in hard rocks. 34. Groundwater Models. Vol. 1 : Concepts, problems and methods of analysis with examples of their application. 35. Sedimentation Problems in River Basins. 36. Methods of computation of low stream flow. 37. Proceedings of the Leningrad Symposium on specific aspects of hydrological computations for water projects (Russian). 38. Methods of hydrological computations for water projects.

Méthodes de calcul pour les études hydrologiques concernant l'aménagement des eaux. 39. Hydrological aspects of drought. 40. Guidebook to studies of land subsidence due to groundwater withdrawal. 41. Guide to the hydrology of carbonate rocks. 42. Water and energy: demand and effects.

SC.85/XX-38/F