Hydrologie: définition, portée, histoire et application

Lisez cet article pour en savoir plus sur la définition, la portée, l'historique et l'application de l'hydrologie.

Définition et portée de l'hydrologie:

L'hydrologie est la science qui traite de tous les aspects de l'eau disponible sur la terre. Il comprend l’étude de la présence de l’eau, de ses propriétés, de sa distribution et de sa circulation, ainsi que de ses effets sur les êtres vivants et leur environnement. Ce n’est pas une science entièrement pure, car elle a de nombreuses applications pratiques et utilise beaucoup la connaissance d’autres sciences.

D'une manière générale, l'ensemble de la matière peut être exprimé sous la forme d'une équation mathématique.

L'équation est la suivante:

P = R + L ou

Précipitation = ruissellement + pertes

Dans l'équation ci-dessus, les précipitations indiquent l'apport total en eau provenant de toutes les formes d'humidité tombante et comprennent principalement les précipitations et les chutes de neige. Le ruissellement représente le surplus d'eau qui coule à la surface pour rejoindre une rivière ou une mer.

Le terme «pertes» inclut la partie de l'eau qui passe dans l'atmosphère et le sous-sol par des processus tels que l'évaporation et la percolation, respectivement. Pour des raisons pratiques, l'hydrologie ne couvre pas toutes les études sur les océans et les utilisations médicales de l'eau.

Après avoir étudié cette équation dans le contexte du cycle hydrologique, il sera clair que le terme "pertes" ne signifie jamais que cette eau est perdue et ne peut plus être utilisée. C’est l’eau qui disparaît temporairement (par exemple, évaporation, suintement, etc.) et, dans des conditions favorables, réapparaît pour remplir diverses tâches. Il est donc nécessaire d’étudier les trois termes de l’équation, à savoir pluie, ruissellement et pertes.

Le sujet de l'hydrologie concerne principalement:

je. Évaluation des précipitations dans les bassins versants;

ii. Évaluation du débit fiable;

iii. Calculer les calculs d'inondation pour la sécurité des structures hydrauliques;

iv. Évaluation des pertes; et

v. Calcul de la durée de vie utile et de la capacité des réservoirs.

Histoire du développement:

On peut considérer que la science moderne de l'hydrologie a commencé par des mesures de précipitations, d'évaporation, de débits de rivière par la méthode de la vitesse surfacique, etc. À partir de ces mesures commencées au 17ème siècle, les scientifiques ont pu tirer des conclusions correctes sur le phénomène hydrologique observé. L’avènement de l’hydrologie ne peut toutefois être qualifié que depuis le XVIIe siècle. En fait, le concept de cycle hydrologique a été professé par de nombreux philosophes depuis des temps immémoriaux.

La chronologie des différentes phases de développement de la science de l'hydrologie peut être globalement visualisée comme suit:

je. Spéculation de concepts - jusqu'au 14ème siècle

ii. Observations - 15ème au 16ème siècle

iii. Dimensions - 17ème siècle

iv. Expérimentations - 18ème siècle

v. Modernisation - 19ème siècle

vi. Quantification de formules empiriques - 1900 à 1930

vii. Rationalisation de la théorie hydrologique - 1930 à 1950

viii. Théorisation par analyse mathématique - de 1950 à aujourd'hui

Bien que les concepts hydrologiques n’aient été spéculés que jusqu’à la fin du XIVe siècle, de nombreux ouvrages hydrauliques ont été construits. Les grands travaux connus dans l'histoire sont les puits abassiniens, les kanats perses, les systèmes d'irrigation égyptiens et chinois, les systèmes d'approvisionnement en eau et de drainage de la vallée de l'Indus, les aqueducs romains, les ouvrages de lutte contre les inondations en Chine, etc. des connaissances pratiques en hydrologie, bien que cela n’ait pas été énoncé largement.

Au cours des deux siècles suivants, les tendances de la simple spéculation ont changé pour devenir une observation attentive. Au cours de cette période, Leonardo da Vinci a reconnu le cycle hydrologique tel qu'il est accepté aujourd'hui. Le dix-septième siècle a vu la mise au point de techniques de mesure des précipitations, de l'évaporation, du débit des rivières, etc., qui fournissent des preuves documentées du principe du cycle hydrologique. Les noms de Pierre Perrault et Edme Mariotte sont remarquables dans ce contexte.

Au XVIIIe siècle, de nombreuses études expérimentales hydrauliques dans le domaine de l'hydrologie ont été réalisées. En conséquence, divers principes hydrauliques ont été découverts. Parmi ceux-ci, notons le piézomètre de Bernoullis, le tube de Borda, le tube de Pitot, le théorème de Bernoulli, la formule de Chezy, etc. Ces développements ont largement contribué à la mise en place d'études hydrologiques quantitatives.

Au XIXe siècle, les études expérimentales ont été considérablement modernisées. Toutes ces activités ont jeté les bases de la science moderne de l'hydrologie. La majorité des contributions étaient liées à l'hydrologie des eaux souterraines et à la mesure des eaux de surface. Loi de Darcy sur les écoulements souterrains, formule des puits de Dupit, équation de Hagen-Poiseuille des écoulements capillaires, formule de déversement de Francis Weir. Détermination du coefficient de Chezy par Ganguillet et Kutter. La formule d'écoulement de Manning, la mise au point d'un courantomètre, la loi de Dalton sont quelques-uns des développements notables de ce siècle.

Jusqu'à la fin du XIXe siècle, la science de l'hydrologie était en grande partie empirique. En effet, les bases physiques de nombreuses déterminations hydrologiques quantitatives n'étaient pas bien connues. Le choix des coefficients et paramètres à utiliser dans les formules empiriques devait dépendre de l'expérience et du jugement. Ainsi, l'ad hoc en hydrologie est devenu plus évident. Au cours des trois premières décennies du XXe siècle, des recherches hydrologiques de plus en plus nombreuses ont été entreprises pour faire progresser la science de l'hydrologie.

Au cours de la période allant de 1930 à 1950, de nombreux grands hydrologues ont émergé et ont donné une base rationnelle à la résolution de problèmes hydrologiques à la place de solutions empiriques. Pour en nommer quelques-uns, Sherman a donné la théorie des hydrogrammes unitaires, Horton a présenté une méthode de détermination de l'excès de précipitations sur la base de la théorie de l'infiltration, Gumbel a proposé l'utilisation de la distribution de valeurs extrêmes pour l'analyse de fréquence, Einstein a développé la fonction de charge du lit à utiliser dans l'analyse théorique des problèmes de sédimentation.

Depuis 1950, de plus en plus d'approches théoriques ont été adoptées pour les problèmes hydrologiques. Maintenant, ces problèmes sont facilement soumis à une analyse mathématique. Avec le développement des ordinateurs, la solution de théories hydrologiques mathématiques complexes est devenue une réalité.

Application en ingénierie:

Le succès de tout projet de développement des ressources en eau dépend de la disponibilité en temps utile et suffisante de l’eau. Une évaluation naturelle de cette ressource naturelle revêt une grande importance. Par évaluation, nous essayons de savoir en détail d'où vient la ressource, où elle va, à quelle heure ou quand elle vient et dans quelle mesure elle est réellement disponible.

Par conséquent, les études hydrologiques constituent la première étape de tout programme de développement des ressources en eau impliquant la conception, la construction et l’exploitation de structures hydrauliques. L'histoire des structures hydrauliques qui ont échoué montre que la majorité des défaillances est due à une analyse hydrologique insuffisante alors que les structures ont été conçues et construites plutôt qu'à une faiblesse structurelle.

Le coût de la collecte de données hydrologiques suffisantes et de leur analyse constitue une part non significative du coût total du projet de développement des ressources en eau, mais il garantit le bon fonctionnement et la durée de vie du projet et devient par conséquent une activité indispensable.

Bien que l’eau soit l’une des ressources naturelles les plus vitales, elle provoque parfois des destructions sous forme de tempêtes et d’inondations. Un ingénieur doit prévoir les inondations afin de garantir une capacité de stockage suffisante pour l'irrigation, la production d'énergie hydroélectrique, l'alimentation en eau industrielle et domestique, le contrôle des inondations, etc.

Les applications pratiques des connaissances en hydrologie sont les suivantes:

je. Le débit de pointe et les conditions futures du débit, en tout point de la vallée de drainage, peuvent être correctement estimés pour tout bassin ou toute zone.

ii. La capacité de l'évacuateur de crue peut être déterminée avec précision en estimant l'inondation prévue

iii. La conception du travail de formation en rivière est facilitée.

iv. Il est possible de calculer les rendements fiables du flux pour la production d'énergie hydroélectrique.

v. L'approvisionnement en eau des cantons et les réseaux d'égouts peuvent être correctement conçus.

vi. Un compte des ressources en eau d'un bassin fluvial peut être préparé.

vii. La capacité du réservoir peut être déterminée avec précision.

viii. L'exploitation des réservoirs peut être effectuée de manière efficace.