Traitement et analyse de séries chronologiques continues de ...
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Partie 4 – Chapitre 12 : Variabilité des flux de temps de pluie 12.1.2 Recensement des variables explicatives potentielles Les variables explicatives potentielles de la variabilité inter événementiels des masses et des CME ont été classées en fonction des processus auxquels elles se rapportent a priori : - l’accumulation des polluants en temps sec sur la surface du bassin versant. - l’érosion et le transfert des polluants sur la surface et dans le réseau en temps de pluie. - autres processus. L’objectif étant d’expliquer la variabilité entre les événements pour un site donné, nous nous sommes intéressés uniquement aux variables locales. Les variables régionales utilisées pour la description de la variabilité entre plusieurs sites (Driver et Tasker 1990; Brezonik et Stadelmann 2002; May et Sivakumar 2009) ont donc été considérées comme constantes pour tous les événements, par exemple la surface totale ou imperméable des bassins versants. Seules les variables pour lesquelles nous disposons de mesures pour la totalité des événements de la base de données ont été considérées. 12.1.2.1 Variables explicatives recensées dans la bibliographie Le Tableau 12.2 présente les variables recensées dans la bibliographie et présentées suivant les trois classes de processus. La liste des variables comprend : - Les variables caractéristiques globales de la pluie et de l’écoulement, testées depuis les premières exploitations des bases de données dans les années 1970- 1990, aux Etats-Unis (US EPA 1970; Colston et Tafuri 1975; Driver et Troutman 1989), au Canada (Marsalek 1976) ou en France (Deutsch et Desbordes 1981; Desbordes et Servat 1984) : i) pour la pluie, la hauteur totale H, les intensités moyenne I m et maximum I max sur différents pas de temps, la durée de la pluie D p et la durée antérieure de temps sec DTS et ii) pour l’écoulement, le volume ruisselé V r , les débits moyen Q m et maximum Q max et la durée de l’écoulement D c . A l’exception de la durée de temps sec qui est souvent corrélée à l’accumulation des polluants sur la surface du bassin versant, ces variables se rapportent principalement aux processus d’érosion et d’entrainement des particules sur la surface et dans le réseau en temps de pluie. - Des variables dérivées des variables traditionnelles, plus récemment testées : les inverses de la hauteur InvH, de la durée de la pluie InvDp (Dembélé et al. 2010) et de la durée de temps sec InvDTS (Irish et al. 1998; Dembélé et al. 2010), et le rapport DTS/H (Dembélé et al. 2010). - Des variables liées aux conditions antérieures précédant l’événement pluvieux, proposées comme alternatives au simple critère de DTS, dès 1976 et plus tard dans les années 2000 : la hauteur de pluie et l’intensité maximale sur 5 minutes de l’événement précédent, HAnt et Imax 5 Ant (Marsalek 1976), la durée précédant l’événement depuis la dernière pluie dont la hauteur est supérieure à 25 mm DTS 25 (Brezonik et Stadelmann 2002), et les hauteurs de pluie cumulées sur des 178
Partie 4 – Chapitre 12 : Variabilité des flux de temps de pluie périodes de 3 et 7 jours précédent l’événement CumH 3J et CumH 7J (May et Sivakumar 2009). - Des variables plus rares liées à la saisonnalité (Irish et al. 1998) : la date (exprimée en quantième de jour, qant) et l’heure de l’événement (h j ). Tableau 12.2. Liste des variables explicatives potentielles recensées dans la bibliographie pour la recherche de corrélation avec les variables expliquées Processus Variable Nom Unité Accumulation des polluants sur la surface Durée antérieure de temps sec Inverse de la durée antérieure de temps sec Hauteur de pluie de l’événement précédent Intensité maximum sur 5 minutes de la pluie précédente Durée précédant l’événement depuis la dernière pluie supérieure à 25 mm Cumul des hauteurs de pluie sur une période de 3 jours avant l’événement Cumul des hauteurs de pluie sur une période de 7 jours avant l’événement DTS InvDTS HAnt Imax 5Ant DTS 25 CumH 3J CumH 7J jour jour -1 mm mm.h -1 Nj mm mm Érosion et transfert des polluants sur la surface et dans le réseau Hauteur de pluie totale Durée de la pluie Intensité moyenne Intensité maximum de la pluie sur le pas de temps de mesure Intensité maximum de la pluie sur le pas de temps de 5 minutes Volume ruisselé Durée de l’écoulement Débit moyen de l’écoulement Débit maximum de l’écoulement Inverse de la hauteur de pluie totale Inverse de la durée de la pluie Rapport de la durée de temps sec et de la hauteur de pluie totale H D p Im Imax Imax 5 Vr Dc Qm Qmax InvH InvDp DTS/H mm h mm.h -1 mm.h -1 mm.h -1 m 3 h m 3 .s -1 m 3 .s -1 mm -1 h -1 Nj.mm -1 Autres Quantième du jour Heure du jour qant h j - h 12.1.2.2 Nouvelles variables explicatives Au vu des variables explicatives et de la connaissance des sites d’étude et des données disponibles (cf. chapitre 3), nous avons complété la liste précédente par la proposition des variables suivantes : - La variation de conductivité maximale au cours de l’événement, dont la mesure en continu est disponible sur les deux sites. Cette variable est représentative de la concentration ionique des effluents au cours de l’événement et est donc liée aux phénomènes de dilution en temps de pluie. - Les durées antérieures à l’événement pluvieux depuis le dernier événement dont la hauteur est supérieure à X mm DTS X , avec X = [5:5:40], ce qui représente 8 variables. Cette proposition généralise la variable DTS 25 proposée par Brezonik et Stadelmann (2002). - Les cumuls de pluie antérieurs à l’événement pluvieux sur des périodes de X heures avant la pluie CumH X , avec X = [4, 8, 12, 24, 36, 48, 52, 72, 96], soit 9 179
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Partie 4 – Chapitre 12 : Variabilité <strong>de</strong>s flux <strong>de</strong> temps <strong>de</strong> pluie<br />
pério<strong>de</strong>s <strong>de</strong> 3 <strong>et</strong> 7 jours précé<strong>de</strong>nt l’événement CumH 3J <strong>et</strong> CumH 7J (May <strong>et</strong><br />
Sivakumar 2009).<br />
- Des variables plus rares liées à la saisonnalité (Irish <strong>et</strong> al. 1998) : la date<br />
(exprimée en quantième <strong>de</strong> jour, qant) <strong>et</strong> l’heure <strong>de</strong> l’événement (h j ).<br />
Tableau 12.2. Liste <strong>de</strong>s variables explicatives potentielles recensées dans la bibliographie pour la recherche <strong>de</strong><br />
corrélation avec les variables expliquées<br />
Processus Variable Nom Unité<br />
Accumulation<br />
<strong>de</strong>s polluants<br />
sur la surface<br />
Durée antérieure <strong>de</strong> temps sec<br />
Inverse <strong>de</strong> la durée antérieure <strong>de</strong> temps sec<br />
Hauteur <strong>de</strong> pluie <strong>de</strong> l’événement précé<strong>de</strong>nt<br />
Intensité maximum sur 5 minutes <strong>de</strong> la pluie précé<strong>de</strong>nte<br />
Durée précédant l’événement <strong>de</strong>puis la <strong>de</strong>rnière pluie supérieure à 25 mm<br />
Cumul <strong>de</strong>s hauteurs <strong>de</strong> pluie sur une pério<strong>de</strong> <strong>de</strong> 3 jours avant l’événement<br />
Cumul <strong>de</strong>s hauteurs <strong>de</strong> pluie sur une pério<strong>de</strong> <strong>de</strong> 7 jours avant l’événement<br />
DTS<br />
InvDTS<br />
HAnt<br />
Imax 5Ant<br />
DTS 25<br />
CumH 3J<br />
CumH 7J<br />
jour<br />
jour -1<br />
mm<br />
mm.h -1<br />
Nj<br />
mm<br />
mm<br />
Érosion <strong>et</strong><br />
transfert<br />
<strong>de</strong>s polluants<br />
sur la surface<br />
<strong>et</strong> dans le réseau<br />
Hauteur <strong>de</strong> pluie totale<br />
Durée <strong>de</strong> la pluie<br />
Intensité moyenne<br />
Intensité maximum <strong>de</strong> la pluie sur le pas <strong>de</strong> temps <strong>de</strong> mesure<br />
Intensité maximum <strong>de</strong> la pluie sur le pas <strong>de</strong> temps <strong>de</strong> 5 minutes<br />
Volume ruisselé<br />
Durée <strong>de</strong> l’écoulement<br />
Débit moyen <strong>de</strong> l’écoulement<br />
Débit maximum <strong>de</strong> l’écoulement<br />
Inverse <strong>de</strong> la hauteur <strong>de</strong> pluie totale<br />
Inverse <strong>de</strong> la durée <strong>de</strong> la pluie<br />
Rapport <strong>de</strong> la durée <strong>de</strong> temps sec <strong>et</strong> <strong>de</strong> la hauteur <strong>de</strong> pluie totale<br />
H<br />
D p<br />
Im<br />
Imax<br />
Imax 5<br />
Vr<br />
Dc<br />
Qm<br />
Qmax<br />
InvH<br />
InvDp<br />
DTS/H<br />
mm<br />
h<br />
mm.h -1<br />
mm.h -1<br />
mm.h -1<br />
m 3<br />
h<br />
m 3 .s -1<br />
m 3 .s -1<br />
mm -1<br />
h -1<br />
Nj.mm -1<br />
Autres<br />
Quantième du jour<br />
Heure du jour<br />
qant<br />
h j<br />
-<br />
h<br />
12.1.2.2 Nouvelles variables explicatives<br />
Au vu <strong>de</strong>s variables explicatives <strong>et</strong> <strong>de</strong> la connaissance <strong>de</strong>s sites d’étu<strong>de</strong> <strong>et</strong> <strong>de</strong>s données<br />
disponibles (cf. chapitre 3), nous avons complété la liste précé<strong>de</strong>nte par la proposition <strong>de</strong>s<br />
variables suivantes :<br />
- La variation <strong>de</strong> conductivité maximale au cours <strong>de</strong> l’événement, dont la mesure<br />
en continu est disponible sur les <strong>de</strong>ux sites. C<strong>et</strong>te variable est représentative <strong>de</strong><br />
la concentration ionique <strong>de</strong>s effluents au cours <strong>de</strong> l’événement <strong>et</strong> est donc liée<br />
aux phénomènes <strong>de</strong> dilution en temps <strong>de</strong> pluie.<br />
- Les durées antérieures à l’événement pluvieux <strong>de</strong>puis le <strong>de</strong>rnier événement dont<br />
la hauteur est supérieure à X mm DTS X , avec X = [5:5:40], ce qui représente 8<br />
variables. C<strong>et</strong>te proposition généralise la variable DTS 25 proposée par Brezonik<br />
<strong>et</strong> Sta<strong>de</strong>lmann (2002).<br />
- Les cumuls <strong>de</strong> pluie antérieurs à l’événement pluvieux sur <strong>de</strong>s pério<strong>de</strong>s <strong>de</strong> X<br />
heures avant la pluie CumH X , avec X = [4, 8, 12, 24, 36, 48, 52, 72, 96], soit 9<br />
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