Les relevés des débits d'une rivière pendant une longue
série d'années montrent des variations saisonnières systématiques
(position des hautes et basses eaux) en fonction des principaux facteurs
influençant l'écoulement : le régime des précipitations, la nature du
bassin versant, sa situation géographique, l'infiltration, etc. Le 
régime hydrologique d'un cours d'eau résume
l'ensemble de ses caractéristiques hydrologiques et son mode de variation.
Il se définit par les variations de son débit habituellement représentées
par le graphique de l'écoulement mensuel moyen (calculé sur un certain
nombre d'années et aussi appelé débit "inter-mensuel" ou module mensuel).
La figure 9.1 représente des valeurs de modules mensuels moyens de certain
cours d'eau dans le monde.
Fig. 9.1 – Régimes moyens (en m3/s) de quelques fleuves dans le monde.
On utilise aussi le coefficient mensuel de débits, qui est défini comme le rapport du débit mensuel moyen au module inter-annuel (moyenne inter-annuelle calculée sur un certain nombre d'années). Celui-ci permet de représenter la répartition, en pourcentage, des débits mensuels au cours de l'année.
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(9.1) |
On définit également le
coefficient d'écoulement annuel par le
rapport suivant :
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(9.2) |
La courbe des coefficients mensuels de débits de l'
année moyenne permet de mettre en évidence
le caractère systématique des variations saisonnières, et de comparer les
rivières entre elles. La connaissance de ce coefficient est aussi
d'un grand intérêt pour pouvoir estimer les volumes écoulés au cours d'une
saison afin de dimensionner une retenue.
De même, les courbes des fréquences relatives des débits
sur une longue série d'années, définissent la variation saisonnière des
quantiles de débits (Fig. 9.2). Les courbes cotées 10, 25,..., 90 %
indiquent les valeurs des débits mensuels qui ont respectivement 10,
25,..., 90 chances sur 100 de ne pas être atteintes ou dépassées.
Fig. 9.2 - Exemple de courbes fréquentielles (fréquence de non-dépassement) des débits mensuels.
En conséquence, il est possible de caractériser un bassin versant et son écoulement en adoptant une classification du régime des cours d'eau basée d'une part sur l'allure de la fluctuation saisonnière systématique des débits qu'il présente, et d'autre part sur son mode d'alimentation, c'est-à-dire, la nature et l'origine des hautes eaux (pluviale, nivale ou glaciaire). La répartition mensuelle des débits est alors utilisée pour classifier le régime d'écoulement d'un cours d'eau appelé le régime hydrologique.
Une des classifications des régimes hydrologiques des rivières les plus simples est celle de Pardé (1933), qui distingue trois types de régimes :
Cette classification peut être éventuellement rectifiée
en fonction des causes hydrologiques provoquant les hautes eaux ;
c'est le cas pour les phénomènes d'embâcle et de débâcle. L'embâcle désigne une
accumulation, due à un obstacle (présence d'un pont, d'un barrage, d'un
rétrécissement, d'un coude, etc.), de glaçons ou de bois dans un cours
d'eau qui crée un barrage. Lorsque ce barrage cède pour différentes
raisons c'est la débâcle. Lorsqu'il s'agit d'un démantèlement de couche de
glace sur les cours d'eau, cela traduit l'effet du dégel. La débâcle
produit alors un charriage de glaçons de tailles plus ou moins grosses,
pouvant à leur tour occasionner, lorsqu'ils sont arrêtés par un autre
accident hydrographique ou autres, des barrages provisoires (embâcle) qui
provoquent souvent des inondations.
Par ailleurs, la géologie peut modifier sensiblement les
écoulements et par delà le régime d'alimentation des cours d'eau. Ceci est
particulièrement vrai dans les régions karstiques (ex. dans le Jura).
Il est caractérisé par un seul maximum et un seul minimum annuel du coefficient mensuel des débits et traduit la prépondérance d'un seul mode d'alimentation (régime glaciaire, nival ou pluvial). Ce caractère peut cependant cacher la combinaison de plusieurs influences et confère ainsi aux régimes des rivières concernées une simplicité apparente.
Le régime glaciaire se retrouve en général quand 15 à 20% du bassin est occupé par des glaciers. Sous nos climats, le régime glaciaire se caractérise entre autres par :
Suivant l'altitude moyenne des bassins versants, ces caractéristiques seront plus ou moins prononcées. Par exemple l'amplitude des variations mensuelles de débits est supérieure à 25 pour les bassins versants de haute altitude (altitude moyenne supérieure à 2500 mètres),et varie de 12 à 35 pour les bassins de 2300 à 2600 mètres d'altitude moyenne.. Le Rhône en amont du lac Léman est caractérisé par un régime de type glaciaire (Fig. 9.1 et Fig. 9.3).
Fig.9.3 - Coefficient mensuel de débits pour le régime glaciaire (Rhône à Gletsch).
Le régime nival pur présente sous une forme atténuée certaines des caractéristiques du régime glaciaire. Le maximum a lieu cependant plus tôt (juin). Il se subdivise en régime nival de montagne et nival de plaine.
Le régime nival de montagne, se retrouve dans les zones montagneuses où la majorité des précipitations arrive sous forme de neige. Il est caractérisé par :
La rivière Fraser à Hope aux Canada (Fig. 9.1) est caractérisée par ce régime.
Le régime nival de plaine intéresse les régions continentales et maritimes à faible altitude du nord de l'Europe. Ses caractéristiques sont les suivantes :
Les fleuves sibériens, comme la Lena (Fig. 9.1) ont un régime nival de plaine.
On peut aussi distinguer le régime nival de transition que l'on rencontre sur les bassins versants d'altitude moyenne comprise entre 1200 et 1600 mètres. Il se rapproche davantage d'un type complexe dans ce sens qu'il présente quatre saisons hydrologiques. Ses caractéristiques sont les suivantes :
Bien que le régime pluvial appartienne aux régimes simples, il présente des caractéristiques différentes de celles des régimes précédents. Il se distingue par :
C'est le régime des cours d'eau de faible à moyenne altitude (500 - 1000 mètres). Il se retrouve dans les régions tempérées sans neige.
On distingue le régime pluvial tropical dont l'allure des courbes de variation de Cm ressemble au régime glaciaire. Il présente les caractéristiques suivantes :
Le fleuve Sénégal (Fig. 9.1) et le Niger amont (Fig. 9.1 et Fig. 9.4) sont des rivières caractéristiques du régime tropical.
Fig. 9.4 - Fréquence des hauteurs, Régime tropical, Le Niger à Mopti.
Il se caractérise par deux maxima et deux minima des coefficients mensuels au cours de l'année hydrologique. Suivant les modes d'alimentation principaux on distingue le régime nivo-glaciaire, glacio-nival, nivo-pluvial, pluvio-nival.
Il présente les traits suivants :
Il se caractérise par :
Le haut-Mississippi (avant sa confluence avec le Missouri) présente ce maximum de printemps correspondant à la fonte des neiges (Fig. 9.1). En Suisse, l'Emme à Emmenmat (Fig. 9.1 et Fig. 9.5) est un exemple typique de ce régime. Selon l'Atlas hydrologiques de la suisse, on classe ce régime suivant l'altitude moyenne, en nivo-pluvial supérieur (altitude moyenne entre 1000 et 1200 mètres, Préalpes suisses) et nivo-pluvial inférieur (altitude moyenne entre 750 et 1000 mètres, Jura).
Fig. 9.5 - Exemple de courbe des
coefficients mensuels de débit pour le régime nivo-pluvial préalpin
(Emme à Emmenmat)
La tendance pluviale est d'autant plus marquée que le bassin se situe à basse altitude (650 à 750 mètres). Le régime pluvio-nival est caractérisé par :
Fig. 9.6 - Coefficient mensuel de débits pour le régime pluvio-nival (Orbe à Orbe).
La rivière Po en Italie présentent un régime pluvio-nival (Fig. 9.1). En Suisse, l'Orbe à Orbe est caractérisé par un régime de ce type même si le maximum pluvial est du même ordre de grandeur que le maximum hivernal (Fig. 9.6).
Le régime complexe est généralement rencontré sur les grands fleuves, dont les affluents, d'amont en aval, influencent de façon très diverse l'écoulement général. Le régime des grands fleuves se présente comme une synthèse de ceux de leurs sous-bassins constitutifs, le plus souvent très variés du point de vue altitude, climat, etc. Habituellement, ces influences diverses tendent à atténuer les débits extrêmes et à accroître la régularité annuelle des débits moyens mensuels, de l'amont vers l'aval (voir Fig. 9.1 pour le Rhin à Rees et le Rhône à l'aval du lac Léman à Chancy).
En Suisse, la classification et la régionalisation des régimes hydrologiques ont été réalisées suite à l'étude de 95 bassins représentatifs choisis dans les réseaux fédéral et cantonal, suivant des critères bien définis : régime d'écoulement naturel, avec des séries de mesures homogènes sur plusieurs années, une surface comprise entre 10 et 500 km2, et écoulements non influencés par des grands lacs. Cette étude menée par l'Institut de Géographie de l'Université de Berne (par Weingartner et Aschwanden) en 1986 a abouti au dessin d'une carte des régimes hydrologiques naturels caractérisés par les débits moyens inter annuels. Trois classes de régimes hydrologiques principales ont été distinguées. Ces trois classes principales ont été à leur tour subdivisées en 16 types de régimes, attribués en fonction de paramètres spatiaux (altitude moyenne, surface de glaciers) ou suite aux résultats d'analyses statistiques (Fig. 9.7). Pour chacun des trois grands types de régime on distingue donc :
L'"Atlas hydrologique de la Suisse" rend accessible à un vaste public ces connaissances sous forme de cartes, (http://www.hydrologischeratlas.ch/fr/a-propos ).
Fig. 9.7 - Variations des coefficients mensuels de débits pour les 16 types de régimes déterminés en Suisse suite à l'étude de 95 bassins représentatifs (d'après les données de l'"Atlas hydrologique de la Suisse")