3.1.2. La distribution spatio-temporelle des débits moyens

Le régime des débits moyens de l’Ivaí a été récemment étudié par Destefani (2005), qui a réalisé une discussion centrée principalement sur la variabilité de la magnitude et de la fréquence des débits, à partir des hydrogrammes des 8 stations de mesure prises en compte pour l’analyse. Les conclusions présentées dans ce travail montrent une partie de la complexité de l’hydrologie du bassin versant de l’Ivaí. Dans un essai de caractérisation du régime saisonnier de l’Ivaí, l’auteur a conclu que « la délimitation des saisons de crue et d’étiage n’est pas pratique car on observe que les mois qui caractérisent l’occurrence des crues et des étiages ne sont pas regroupés sur un semestre ou un trimestre » (DESTEFANI, 2005). En outre, l’auteur affirme que « l’intense oscillation entre les (débits) maximaux et les (débits) minimaux se maintient au long des séries historiques et elle ne possède pas une période définie d’occurrence. Ceci signifie que les périodes d’étiage et de vagues de crues peuvent avoir lieu quel que soit le mois de l’année, et elles changent alors d’une année à l’autre, ou bien la rivière ne montre pas une période saisonnière définie de crue et d’étiage (…) » (DESTEFANI, 2005). Le travail élaboré par l’auteur présente un ensemble de données et d’interprétations important pour la compréhension de l’hydrologie du bassin de l’Ivaí, qui ont été prises en compte pour l’élaboration des discussions à suivre.

Comme cela a été déjà présenté précédemment, le débit moyen (module de toute la série) de l’Ivaí mesuré à la station située la plus en aval (Station de Novo Porto Taquara), à environ 77 km de la confluence avec le Paraná, est de 686,82 m3/s. Néanmoins, la variation amont-aval de la moyenne, de la médiane et de l’écart-type des débits journaliers n’est pas homogène (Figure 52, Tableau 6).

A partir de la moyenne des débits journaliers, on observe une forte différence entre les stations de Tereza Cristina et de Porto Espanhol (augmentation de 124 m3/s à Porto Espanhol), entre Ubá do Sul et Vila Rica (augmentation de 155 m3/s à Vila Rica) et entre Porto Paraíso do Norte et Tapira Jusante (augmentation de 132 m3/s à Tapira Jusante). Dans le cas des stations de Tereza Cristina et Porto Espanhol, la différence peut être expliquée par les apports de la Marrecas et de la Pitanga, qui drainent le plateau de Pitanga, lequel selon Baldo (2006), est une des régions les plus pluvieuses du bassin de l’Ivaí. Dans le cas des stations de Vila Rica et Ubá do Sul, la différence peut être expliquée par l’entrée des eaux venues de la Corumbataí, qui draine un sous-bassin situé entre les plateaux de Pitanga et de Campo Mourão, lui aussi une des régions les plus arrosées du bassin de l’Ivaí. En ce qui concerne les stations de Porto Paraíso do Norte et Tapira Jusante, l’arrivée des eaux de plusieurs rivières qui drainent les collines gréseuses peut expliquer partiellement la différence de débit moyen observée. Il faut considérer aussi que la série d’observations hydrométriques faites à Tapira Jusante n’est pas encore assez longue (14 ans avec beaucoup d’interruptions dans les premières années), ce qui peut donner des résultats un peu distordus.

La médiane des débits journaliers présente des valeurs de débit qui se trouve exactement à la moitié de l’ensemble des observations, ce qui signifie que 50 % des débits observés sont supérieurs à la médiane et que 50 % des débits lui sont inférieurs. Ceci aide l’observateur à avoir une idée de l’ensemble des débits à une station donnée. En ce qui concerne la médiane des débits journaliers des stations de l’Ivaí, les différences les plus importantes sont observées entre les stations de Porto Paraíso do Norte et Tapira Jusante (différence de 119 m3/s), entre celles d’Ubá do Sul et Vila Rica (différence de 104 m3/s) et entre les stations de Rio dos Patos et Tereza Cristina (différence de 77 m3/s).

L’écart-type d’une série hydrométrique donne une idée de la dispersion de l’ensemble des débits. Plus l’écart-type est élevé, plus fortes sont les variations de débit observées dans une station donnée. Pour les stations hydrométriques de l’Ivaí, la variation des débits augmente fortement de la station de Tereza Cristina à celle de Porto Bananeiras, dans la partie moyenne du bassin versant. A partir de Porto Bananeiras, la variabilité des débits se maintient d’une station à l’autre.

En ce qui concerne les débits moyens mensuels, leur comportement est très variable entre les stations de mesure (Figures 53, 54, 55, 56 et 57), en fonction des différences enregistrées dans la distribution des précipitations sur le bassin versant. Selon Baldo (2006), la partie amont du bassin versant est soumise à une distribution de précipitations plus homogène au long de l’année, sans l’occurrence d’une saison sèche ; en revanche, la partie aval présente une distribution des précipitations plus inégale, avec une saison humide pendant les mois d’été et une saison sèche pendant les mois d’hiver. La transition entre les deux domaines climatiques se trouve dans la région de la station d’Ubá do Sul, proche de la ville de Grandes Rios.

Sur le graphique des débits moyens mensuels de la station de São Pedro (Figure 53) on observe l’existence de trois périodes de débits élevés : une à la transition de l’hiver et du printemps, une pendant l’été et une au milieu de l’automne. La période de hauts débits qui a lieu à la transition hiver-printemps n’est pas très longue, mais le débit moyen mensuel le plus élevé de l’année a lieu justement pendant cette période, au mois d’octobre. La période de hauts débits qui a lieu pendant l’été est plus étendue que celle des autres périodes. Les stations de Rio dos Patos et Tereza Cristina présentent un comportement semblable à celui qui est observé à la station de São Pedro (Figure 53), mais la période de hauts débits de la fin de l’automne se décale vers le début de l’hiver. Il est important d’observer que la série de mesures faites à São Pedro n’est pas très étendue ; il faudra un plus long suivi hydrométrique pour pouvoir faire des comparaisons entre la station São Pedro et les stations en aval.

Douhi (2004) a fait une analyse de la distribution des précipitations sur la ville de Prudentópolis (l’endroit où se trouvent les stations hydrométriques de São Pedro et Rio dos Patos) pour la période 1998-2002. Il a observé que le trimestre d’été concentre 33 % des épisodes pluviométriques ; 27 % des événements ont lieu pendant le trimestre de printemps, 21 % pendant le trimestre d’automne et 19 % pendant le trimestre d’hiver. Pendant les mois de septembre et octobre, environ 40 % des pluies sont comprises dans l’intervalle de 20 à 60 mm par jour, ce qui explique les hauts débits observés dans la transition hiver-printemps. Douhi (2004) a observé aussi qu’au mois de mai, plus de 19 % des événements pluviométriques dépassent les 60 mm par jour, ce qui explique les forts débits de la période d’automne.

Antoneli (2004) a fait une analyse des précipitations de la période 1988 - 2003 dans le bassin versant du ruisseau Boa Vista, un affluent de la rivière dos Patos qui traverse la ville de Guamiranga, localisée dans le haut bassin de l’Ivaí. La dynamique des précipitations est semblable à celle présentée par Douhi (2004). Selon Antoneli (2004), les mois de janvier et mai présentent des forts totaux pluviométriques, tandis que le mois d’août est en général le plus sec. L’auteur montre aussi que les précipitations de janvier et mai sont souvent très intenses, de sorte que ces deux mois sont très favorables au processus d’écoulement superficiel.

Aux stations de Porto Espanhol et Ubá do Sul (Figure 54), les périodes de forts débits suivent une logique semblable à celle des stations plus amont. A la station de Porto Espanhol, le mois d’octobre possède de manière remarquable une moyenne plus élevée que celle des autres mois. La période de hauts débits de la fin de l’automne s’étend maintenant jusqu’au milieu de l’hiver.

La station de Porto Espanhol est la première station à recevoir les eaux de la Marrecas et de la Pitanga, qui drainent le plateau de Pitanga. Selon Baldo (2006), la région du plateau de Pitanga est la région la plus arrosée du bassin versant pendant presque toute l’année, sauf pour les mois de printemps, période où les précipitations se concentrent un peu plus au nord-ouest, sur le plateau de Campo Mourão. Sur le plateau de Pitanga, les totaux pluviométriques dépassent les 1800 mm annuels et la période la plus humide correspond aux mois d’été. Pendant le trimestre d’hiver, les précipitations totales dépassent les 450 mm tandis que dans la partie aval du bassin de l’Ivaí elles totalisent autour de 350 mm (BALDO, 2006). Ceci aide à comprendre les hauts débits observés pendant l’été et l’hiver à la station de Porto Espanhol. La forte moyenne observée au mois de novembre est le résultat de la combinaison des forts débits venus de la région du plateau de Prudentópolis, bien arrosée au printemps par les pluies du plateau de Pitanga. Ce plateau n’est pas la région la plus arrosée au printemps mais, en fonction de l’effet orographique, les totaux pluviométriques observés pendant cette saison ne sont pas très éloignés des valeurs enregistrées sur le plateau de Campo Mourão.

A la station d’Ubá do Sul, le mois dont la moyenne est la plus élevée est novembre. Cependant, dans cette station placée à la transition entre les climats à hiver humide et à hiver sec, on observe que la période de hautes eaux de l’été présente des débits plus proches de ceux mesurés au printemps, avec la moyenne la plus élevée au mois de février. La période de hauts débits de l’automne observée dans les stations plus à l’amont est presque entièrement décalée vers l’hiver à cette station. Les faibles débits du mois d’août sont aussi décalés vers le mois de septembre (BALDO, 2006). La station d’Ubá do Sul est la première station à recevoir les eaux de l’Alonzo, qui draine le plateau d’Ortigueira. Ce plateau est une région bien arrosée, principalement pendant l’été et le printemps. En automne et en hiver, le plateau d’Ortigueira reçoit nettement plus de pluie que la vallée ou la partie aval du bassin versant, en raison de l’effet orographique. L’Alonzo arrive à l’Ivaí avec un débit moyen de 41,2 m3/s, mais pendant les crues cette valeur peut monter jusqu’à 766,1 m3/s⁷.

En synthèse, le graphique des débits moyens mensuels de la station d’Ubá do Sul montre la combinaison des caractéristiques du climat plus humide des stations plus à l’amont et des caractéristiques tropicales de la moyenne vallée de l’Ivaí.

A la station de Vila Rica (Figure 55), l’influence du climat tropical est plus nette qu’aux stations précédentes. La période de forts débits de l’été est la plus importante, avec février comme le mois de moyenne la plus élevée (622,3 m3/s). On observe aussi l’occurrence de forts débits à la fin de l’automne, surtout au mois de mai, et au printemps, où les forts débits ont lieu au mois d’octobre. L’écart entre les débits d’été et d’hiver est grand, mais les eaux venues du haut bassin de l’Ivaí contribuent à l’augmentation des débits pendant l’hiver, de façon qu’on n’observe pas l’occurrence d’une période de sécheresse continue.

Aux stations de Porto Bananeiras et Porto Paraíso do Norte (Figure 56) les trois périodes de haut débit sont encore identifiables. Le mois d’octobre est toujours le mois de plus fort débit moyen, mais la différence entre sa moyenne et la moyenne des autres périodes de crue n’est plus aussi grande.

A la station de Porto Bananeiras, trois périodes de crue ont lieu pendant l’été, à la fin de l’automne et au début du printemps. Ces trois périodes présentent des moyennes de débit mensuel semblables, autour de 600 m3/s. Cette station est la première station à recevoir les eaux de la Corumbataí, qui draine une partie du plateau de Pitanga et une partie du plateau de Campo Mourão. La Corumbataí arrive à l’Ivaí avec un débit moyen de 51,7 m3/s, mais en période de crue cette valeur peut monter à 464,2 m3/s⁸.

La station de Porto Paraíso do Norte présente un comportement presque identique à celui qui est observé à la station de Porto Bananeiras. La principale différence se trouve dans la période de forts débits de l’automne : tandis que les forts débits de la station de Porto Bananeiras ont lieu au mois de mai, à Porto Paraíso do Norte les forts débits ont lieu au mois de juin, dans la transition vers l’hiver.

Dans la basse vallée de l’Ivaí, les stations de Tapira Jusante et Novo Porto Taquara enregistrent des variations de débits (Figure 57). Au premier regard on peut dire que les deux stations possèdent un comportement caractéristique des climats tropicaux, avec une importante saison de crues aux mois d’été et une période de faibles débits les mois d’hiver. Mais pour comprendre le comportement des débits dans ces deux stations, il faut aussi considérer les différentes contributions venues des sous-bassins placés plus en amont. Malgré les faibles précipitations des mois d’hiver auxquelles la basse vallée de l’Ivaí est soumise, les débits moyens mensuels se maintiennent autour de 600 m3/s en fonction de la contribution des eaux venues de la partie haute du bassin versant et en fonction des apports issus des nappes phréatiques.

La station de Tapira Jusante présente une période de crues d’été bien marquée. A cause des crues d’été, la moyenne du mois de février atteint les 958,33 m3/s, tandis que la moyenne au mois d’août est de seulement 425 m3/s (la moyenne mensuelle la plus élevée fait 2,25 fois la moyenne mensuelle la plus faible). On observe aussi des forts débits au mois d’octobre, un résultat probable de la combinaison des forts débits venus d’amont et de l’augmentation des précipitations dans la basse vallée, surtout sur les collines situées entre les villes de Cianorte et Umuarama.

La station de Novo Porto Taquara possède une série de données plus étendue que celle de la station de Tapira. Il en résulte quelques différences entre les graphiques des deux stations. D’abord, la station de Novo Porto Taquara présente les caractéristiques d’un régime tropical : saison de crues pendant l’été et saison de faibles débits pendant l’hiver. Néanmoins, on observe plus nettement à la station de Novo Porto Taquara l’influence des apports liquides venus de la partie haute du bassin versant. Le mois de mai présente un débit moyen élevé. Le mois d’octobre présente aussi un débit moyen élevé, mais ceci est le résultat de la combinaison entre des débits issus de l’amont et des précipitations de printemps qui tombent surtout sur les collines proches de la ville d’Umuarama. Une autre conséquence des apports liquides amont est la montée des débits pendant la saison sèche. En observant le graphique, on voit que la période la plus sèche est soumise à l’interférence des forts débits du mois de mai, issus de la partie amont du bassin versant.

Le mois de février possède la moyenne mensuelle la plus élevée, avec 849,27 m3/s, tandis que le mois d’août est le mois dont la moyenne mensuelle est la plus faible : 492,52 m3/s (la moyenne mensuelle la plus élevée fait 1,72 fois la moyenne mensuelle la plus faible).

L’étude des débits bruts est importante pour la définition du régime d’un cours d’eau, mais elle ne permet pas la comparaison entre des bassins versants de taille différente (GIRET, 2007). Afin de permettre une telle comparaison, on utilise des coefficients créés à partir des rapports entre plusieurs variables hydrologiques. Selon Pardé (1933), « ces coefficients nous permettent de comparer facilement, pour tous les cours d’eau, les écarts, les moyennes mensuelles avec la moyenne annuelle et, de même, les différences de débits entre les saisons de maigres et celles d’abondance ». Afin de mieux comprendre la distribution et la variabilité des débits au long de l’année, le coefficient mensuel de débits et le rapport des moyennes mensuelles extrêmes ont été calculés pour les 10 stations hydrométriques de la Dos Patos et de l’Ivaí. Le coefficient mensuel de débit est le ratio de chaque moyenne mensuelle et du module de la série de données ; il montre l’écart qui existe entre les moyennes mensuelles et le module. Le rapport des moyennes mensuelles extrême est le ratio de la moyenne mensuelle la plus haute et de la moyenne mensuelle la plus faible ; il montre le degré de variabilité des moyennes mensuelles à une station de mesure (PARDE, 1933).

A partir des coefficients mensuels de débits de l’Ivaí (Tableau 7, Figure 58), on peut observer que la plupart des stations présentent trois périodes de hautes eaux : une en janvier et février, une entre mai et juillet et une entre septembre et octobre. On note aussi que la plupart des stations possèdent trois périodes de basses eaux : une en mars et avril, une au mois d’août et une en novembre et décembre. Si au premier regard, il semble y avoir une homogénéité dans le comportement des débits amont-aval, une analyse plus fine permet d’observer quelques petites différences entre les stations placées en amont de la station d’Ubá do Sul, soumises à un climat subtropical, et les stations placées en aval d’Ubá do Sul, soumises à un climat tropical (Figure 58).

Pendant la période de hautes eaux de janvier et février et pendant la période de basses eaux de mars et avril, les stations en amont et en aval d’Ubá do Sul possèdent des comportements relativement semblables. Au mois de mai, quand commence la deuxième période de hautes eaux, les stations en amont d’Ubá do Sul présentent des débits moyens mensuels proches du module de la série de débits, tandis que la plupart des stations en aval d’Ubá do Sul présentent des débits au-dessus du module. Aux mois de juin et juillet, les stations en amont d’Ubá do Sul voient augmenter leurs débits moyens mensuels, avec la moyenne la plus haute au mois de juillet, tandis que les stations en aval d’Ubá do Sul présentent une réduction de leurs débits moyens mensuels, qui va se poursuivre jusqu’au mois d’août.

Pendant la période de hautes eaux du mois d’octobre, on observe que les stations placées en amont d’Ubá do Sul présentent des débits moyens mensuels bien plus élevés que les stations qui se trouvent en aval de cette station. Ceci s’explique par les importantes précipitations qui ont lieu au printemps et qui tombent principalement sur la partie amont du bassin versant.

La station d’Ubá do Sul représente un cas particulier car elle se trouve dans la zone de transition entre les deux domaines climatiques, et elle est placée juste en aval de l’Alonso (ou Do Peixe). Cette rivière reçoit les eaux issues du plateau de Faxinal, une région qui reçoit d’importantes précipitations. Ainsi, le comportement des débits à cette station dépend de la combinaison des différentes influences climatiques.

Quant à la station de Tapira Jusante (la ligne avec la moyenne la plus faible au mois d’août sur la Figure 58), à première vue elle semble avoir un comportement qui ne correspond pas aux stations voisines, avec des débits moyens très faibles. Cette distorsion est due à la courte période de suivi hydrométrique à cette station. La station de São Pedro possède aussi une courte série de données, mais les résultats ne semblent pas très différents de ceux obtenus aux stations de Rio dos Patos et Tereza Cristina.

Le calcul du rapport des moyennes mensuelles extrêmes a donné une idée de la variabilité des débits aux stations de mesure (Tableau 8). On peut observer que de la station de São Pedro à la station de Vila Rica, la valeur du rapport des moyennes mensuelles extrêmes est toujours supérieure à 2,0, sauf pour la station de Rio dos Patos, où le rapport est de 1,9. A partir de la station de Porto Bananeiras, la valeur du rapport des moyennes mensuelles extrêmes tombe en dessous de 1,73, sauf pour la station de Tapira Jusante (la valeur serait-elle plus élevée en raison de la série de données courte ?). Ainsi, d’après ces résultats, on peut conclure que la variabilité des débits au long de l’année est plus importante dans la partie amont du bassin versant, avec une forte variabilité aux stations de Porto Espanhol et Tereza Cristina. En admettant que la valeur trouvée à la station de Tapira Jusante ne soit pas correcte, on peut affirmer que dans les stations en aval de Vila Rica la variabilité des débits moyens au long de l’année est plus faible. Cette variabilité moindre est possiblement liée à plusieurs facteurs : 1) la combinaison des différents régimes des affluents donnant un régime moins variable dans la partie aval de l’Ivaí ; 2) l’amortissement des débits de crue en direction de l’aval ; 3) dans la partie aval du bassin versant, la contribution des nappes phréatiques issues des collines gréseuses soutien le débit de l’Ivaí pendant les périodes d’étiage.