B.22 - Sols gelés

Le phénomène de sols gelés en hydrologie

Introduction

L'influence du gel des sols sur l'infiltration et le ruissellement est un phénomène connu, mais relativement peu détecté et assez mal quantifié. Il joue principalement sur le ruissellement des précipitations, et il faut d'ailleurs d'emblée différencier deux processus :

• l'augmentation de la part ruisselée des précipitations tombant sur sols gelés, le gel des sols limitant alors fortement sa capacité d'infiltration ;
• les apports hydrologiques supplémentaires générés lors du dégel de la partie gelée des sols (de la même manière que la fonte nivale).

Il peut être difficile de différencier dans les faits ces deux processus puisqu'ils peuvent facilement être simultanés (redoux et pluie suite à une période de gel) et engendrer les mêmes effets (augmentation des volumes écoulés). Dans la suite, on aura donc tendance, faute de mieux, à faire l’amalgame entre les deux...

La présence de neige n'est pas nécessaire au gel des sols, on s'intéresse ici justement au ruissellement sur sols gelés non enneigés.

Causes

Une période de températures négatives peut entraîner un gel progressif des couches supérieures du sol. Cette descente de l'isotherme 0 °C dans le sol dépend de nombreux facteurs (intensité du froid, durée du froid, ensoleillement, type de sols, couvert végétal, teneur en eau et indice des vides du sol , etc.).

Toujours est-il que, d'après la littérature, on estime la progression du gel pour des régions de plaine et avec des périodes de froid classiques pour les hivers en France métropolitaine, à quelques centimètres par jour, et que le gel des sols s'arrête à quelques dizaines de cm de profondeur (on peut atteindre de valeurs bien plus fortes dans des régions au climat plus extrême).

Conséquences

Lors d'une phase de gel des sols, l'eau contenue dans le sol gèle progressivement, ce qui a pour conséquence de diminuer fortement la capacité d'infiltration des sols.

La première pluie qui succède à la période de gel va donc tomber sur un sol n'ayant pas eu le temps de dégeler (ou alors uniquement en surface, ce qui est insuffisant pour permettre au sol de retrouver une capacité d'infiltration) et va engendrer un ruissellement qui sera nettement supérieur à celui du même sol non gelé. C'est également à ce moment qu'une partie de l'eau contenue sous forme de glace dans le sol peut dégeler et contribuer au ruissellement, augmentant encore le coefficient de ruissellement apparent.

Exemple 1 : la crue de janvier 1910 sur le bassin de la Seine. Cette crue historique, d'après les écrits de l'époque et les études hydrologiques réalisées, a très probablement eu lieu alors que les sols étaient gelés sur au moins une partie du bassin au début de la crue (de nombreux jours de gel sont recensés entre novembre et janvier), en plus d'avoir été copieusement arrosés à l'automne et au début de l'hiver. Cela se traduit concrètement dans les études de cette crue, mais apparaît également comme la seule explication au comportement hydrologique particulier de cette crue.

Le premier épisode de pluies générateur de la crue (17-20 janvier) est vraisemblablement tombé sur des sols gelés, engendrant un comportement hydrologique atypique. C'est par exemple le cas sur les bassins du Loing et de la Seine amont (territoires ruraux, avec peu de relief, et habituellement assez peu réactifs), qui ont certes reçu des précipitations importantes, mais qui connaissent en janvier 1910 des crues d'une importance et d'une rapidité sans commune mesure avec toutes les autres crues connues, y compris d'autres crues historiques importantes.

Même si son calcul est très délicat en raison de l'imprécision sur l'estimation des débits et des pluies, on aurait vraisemblablement, pour la crue de 1910 un rapport entre la lame d'eau écoulée (LEE) et la lame d'eau précipitée (LEP) proche de 65 % sur le bassin de la Seine à Paris. À titre de comparaison, pour la crue de mars 2001 (la dernière crue significative observée à Paris, de période de retour de l'ordre de 5 à 10 ans, à l'issue d'une année hydrologique ayant battu des records de pluviométrie), on a un rapport LEE/LEP de l'ordre de 55 %.

Exemple 2 : la crue de décembre 2001 dans le nord est de la France. Cette crue plus récente s'est déroulée après une vague de froid très intense (et presque historique). D'après le bilan mensuel de décembre 2001 de Météo-France, la vague de froid a duré du 7 au 27 décembre, avec des températures atteignant fréquemment -10°C le matin et ne dépassant que rarement 0°C l'après midi en plaine. Entre le 14 et le 27, quasiment aucun dégel diurne ne se produit dans l'est et le sud du pays, les températures restant négatives même la journée. Pendant cette période, les précipitations sont faibles, ce qui signifie que sans gel des sols, les sols auraient du être relativement secs pour la saison.

Des pluies importantes se produisent le 28 et le 29 décembre sur le nord est du pays, alors que les températures viennent tout juste de redevenir positives. Sur bon nombre de bassins de ces régions, on observe de fortes crues, de surcroît très rapides, y compris sur des bassins habituellement peu réactifs, liées à un ruissellement anormalement élevé du fait des sols gelés (Fig. 2 et 3).

Le tableau 1 donne les rapports LEE/LEP indicatifs sur plusieurs sous-bassins du SPC SmYL pour la crue de décembre 2001 et la crue de mars 2001. Malgré une humidité initiale des sols relativement peu élevée, la crue de décembre 2001 a engendré de manière générale un ruissellement aussi important que la crue de mars 2001 (qui s'était produite dans des conditions d'humidité initiale des sols très importante), voire encore supérieur pour certains bassins.

Incertitudes associées au phénomène de sols gelés

Détection de conditions favorables à un gel des sols

Il est possible de détecter une période temporelle pouvant entraîner un gel des sols : une période continue (de l'ordre d'une voire deux semaines) avec des températures nettement négatives et ne repassant que très rarement au-dessus de 0 °C peut causer un gel des sols suffisant. Toutefois, très peu de mesures de gel du sol étant réalisées, et il est très difficile de confirmer le gel effectif d'un sol.

Incertitudes sur le ruissellement

Théoriquement, un sol gelé devrait présenter localement un coefficient de ruissellement proche de 1 (capacité d'infiltration nulle). Dans la réalité, à l'échelle d'un bassin versant, il est quasiment impossible d'atteindre cette valeur. Le degré de gel sera rarement uniforme, car les températures (liées à l'altitude ou à la proximité des zones urbaines), le type de sol et de végétation, l'humidité initiale peuvent varier au sein d'un même bassin versant... Il sera très difficile donc d'estimer un coefficient de ruissellement valable sur le bassin versant. Ce dont on est sûr est qu'il sera nettement supérieur à celui obtenu avec des sols non gelés.

Le meilleur moyen d'avoir une idée du comportement d'un bassin versant dans des conditions de sols gelés est d'avoir un exemple de crue à étudier. À défaut, on peut également considérer que le ruissellement sur sols gelés se rapprochera de celui qui serait observé dans le cas d'un sol fortement saturé en eau (par exemple la ou les crues disponibles dans l'historique présentant la plus forte humidité initiale).

Bassins versants potentiellement concernés

Les bassins versants les plus concernés par ce phénomène seraient plutôt des bassins versants de plaine ou de faible relief, connaissant en temps normal des coefficients de ruissellement peu élevés (sols relativement perméables, peu urbanisés...).

En effet :

• les secteurs montagneux sont concernés par des températures négatives presque tout l'hiver (avec en plus fréquemment un stock de neige), et le gel des sols est dans ce cas un phénomène récurrent et sans modification particulière sur le ruissellement ;
• plus un bassin versant connaît habituellement un ruissellement faible, plus la différence avec le comportement normal en cas de sols gelés sera importante (à contrario, un bassin déjà très imperméable aura déjà un coefficient de ruissellement fort, et le gel des sols ne changera pas forcément grand-chose).

De plus le gel des sols s'opère plus facilement sur des sols nus (sols agricoles en hiver, prairies). Les bassins versants avec un couvert forestier important seront donc probablement moins concernés.

Influence des sols gelés sur les prévisions hydrologiques

La présence de sols gelés engendre une incertitude sur l'état initial du bassin à prendre en compte dans les outils ou modèles de prévision. La réactivité du bassin versant se traduira dans un abaque par un indicateur de l'humidité (estimé le plus souvent via le paramètre HU2 et/ou le débit de base du cours d'eau...), et dans un modèle hydrologique, par un état initial de la fonction de production (par exemple un niveau de remplissage du réservoir de production dans un modèle type GRP).

Or dans le cas de sols gelés, aucun de ces paramètres ne pourra restituer correctement la réactivité réelle des sols. Les vagues de froid intense s'accompagnant souvent de précipitations faibles et/ou sous forme neigeuse, l'humidité modélisée (type Hu2), le débit de base du cours d'eau et le niveau de remplissage d'un réservoir de production auront tous tendance à baisser, diminuant la réactivité modélisée du bassin versant et donc induisant un fort risque de sous-estimation de la prévision.

Pour améliorer cela, on peut chercher une valeur fictive du paramètre utilisé correspondant à la réactivité réelle du bassin. Cela peut se faire en déterminant, pour une crue passée faisant intervenir des sols gelés, la valeur du paramètre d'état qui permet d'obtenir un résultat pertinent ou, à défaut d'épisode à rejouer, en choisissant une valeur correspondant à des conditions réactives, c'est à dire des sols très humides. Toutefois, cela peut ne pas être suffisant si les processus de production hydrologique diffèrent trop des conditions de calage du modèle...

Exemple 2 (suite) : la crue de décembre 2001 sur le bassin de la Seine. La crue de décembre 2001 a été rejouée sur plusieurs bassins du SPC SmYL à l'aide de modèles GRP, calés pour l'opérationnel sur des données récentes (depuis 1996 environ) et donnant satisfaction sur la plupart des événement. Les prévisions ont été réalisées au début de l'épisode de pluies (28 décembre 2001, 12h00), avec les pluies futures parfaitement connues (pluies observées). On constate que sans forçage de l’état du modèle correspondant à l’humidité des sols, les prévisions sont largement sous-estimées d’un facteur pouvant atteindre 100 % (Fig. 4).

Voir également

Fiche B.24 – Initialisation des modèles hydrologiques et incertitude résultante

Pour aller plus loin

• Lacaze, Y. et al. (2010). Les modèles de prévision opérationnels d'aujourd'hui auraient-ils été fiables sur la crue de 1910 ? Analyse rétrospective critique sur une base de données de 1910 . 197e colloque SHF

• Tondu (2010). Simulation of the Paris 1910 flood with a lumped Hydrological model : The influence of frozen soil.

• Guillen Y. (1947). Gel et dégel du sol : les mécanismes morphologiques.

• Cailleux (1948). Le ruissellement en pays tempéré non montagneux.