3.1.5. Les débits d’étiage et le tarissement des nappes

Comme les débits de crue, les débits d’étiage font partie des conditions extrêmes qui touchent périodiquement un système fluvial. Ils représentent les conditions minimales d’écoulement qui peuvent concerner un cours d’eau. Une étude de la dynamique hydrologique d’un cours d’eau ne peut pas être faite sans qu’on prenne en considération les débits d’étiage.

Les étiages sont toujours liés à un déficit d’eau. Ce déficit peut se produire en raison d’un faible entrée d’eau dans le système, causée par de faibles totaux pluviométriques, ou en raison d’un stockage ou sortie d’eau du système, comme le stockage par la neige, par les barrages, la forte évaporation ou le pompage d’eau. Dans les zones tropicales, la pénurie de précipitations pendant la période estivale est la principale cause des étiages (PARDE, 1933).

La magnitude des étiages dépend du bilan des entrées et sorties d’eau dans le système fluvial, mais dépend aussi de la capacité des nappes phréatiques à retenir et maintenir l’écoulement de surface. Dans les bassins à terrains imperméables, les nappes phréatiques n’emmagasinent pas beaucoup d’eau et pendant les périodes de pénurie pluviométrique elles n’arrivent pas à soutenir l’écoulement de surface longtemps ; par contre, dans les bassins à terrains perméables, les nappes phréatiques peuvent soutenir le flux de surface durablement.

L’analyse des débits d’étiage de la Dos Patos et de l’Ivaí sera faite à partir des données et graphiques auparavant présentés dans la discussion du régime de débits moyens, complétée par d’autres informations jugées pertinentes.

D’après les graphiques des moyennes des débits moyens mensuels précédemment présentés (Figures 53 à 57), on peut décrire la distribution saisonnière des périodes d’étiage pour chaque section de mesure. Sur ces graphiques, on observe que les stations de São Pedro, Rio dos Patos et Tereza Cristina présentent trois périodes de basses eaux : une au mois d’avril, une au mois d’août et la dernière au mois de décembre. A partir des coefficients mensuels de débits calculés pour les stations de mesure (Tableau 7 et Figure 58), on voit qu’à la station de São Pedro, la moyenne mensuelle la plus basse, correspondant au mois d’août, est 32 % inférieure au module de la série (débit moyen de toute la série de données). Pour la station de Rio dos Patos, la moyenne mensuelle la plus basse, qui correspond au mois d’avril, est 27 % inférieure au module de la série. A Tereza Cristina, le débit moyen mensuel le plus faible est celui du mois d’avril, environ 35 % inférieur au module de la série.

A la station de Porto Espanhol, on observe deux périodes d’étiage pendant l’année : la première aux mois de mars et avril, et la deuxième au mois d’août. Avril est le mois dont le débit moyen est le plus faible, autour de 37 % au-dessous du module de la série. A Ubá do Sul, deux périodes d’étiage ont été identifiées, une au mois de mai, l’autre au mois de septembre. Le mois de mai présente le débit moyen le plus faible, environ 37 % inférieur au module de la série. Aux deux stations suivantes, Vila Rica et Porto Bananeiras, on observe deux périodes de crue, la première en mars et avril, la deuxième au mois d’août. A la différence des stations précédentes, à Vila Rica le mois d’août et celui qui a le débit moyen le plus faible, environ 31 % inférieur au module de la série. A Porto Bananeiras, le mois d’août est aussi celui qui a la moyenne la plus faible, environ 29 % inférieure au module.

A la section de Porto Paraíso do Norte, deux périodes d’étiage peuvent être identifiées, une au mois d’avril et l’autre au mois d’août. La moyenne la plus faible est en avril, de 24 % inférieure au module de la série. A la station de Tapira Jusante, seul le mois d’août est une importante période d’étiage, de 42 % au-dessous du module de la série. A la station de Novo Porto Taquara, la dernière section de mesure de l’Ivaí, deux périodes d’étiage peuvent être observées, une en avril et l’autre en août. Le débit du mois d’août, mois dont le débit moyen est le plus faible, est de 28 % inférieur au module de la série.

D’après ces résultats, on peut regrouper les stations de mesure en deux ensembles : un premier regroupe les stations de São Pedro à Ubá do Sul, où les débits moyens mensuels les plus faibles sont les plus écartés des modules, et un deuxième regroupe les stations de Vila Rica à Novo Porto Taquara, dont les débits moyens mensuels les plus faibles sont plus proches du module. Une remarque doit être faite quant aux résultats des stations de Rio dos Patos et Tapira Jusante qui, en raison de la courte période de suivi hydrométrique, ont des valeurs un peu en dehors de ce qu’on attendrait pour ces stations.

Hormis la distribution saisonnière des étiages, il est important de connaître aussi leur magnitude. On a choisi d’utiliser un paramètre simple : le débit caractéristique DC₃₅₅. Le DC₃₅₅ est le_{débit qui est dépassé 355 jours par an (REMENIERAS, 1980 ; GIRET, 2007). Il a été calculé pour les stations de mesure de la Dos Patos et l’Ivaí (Tableau 11).}

Les valeurs absolues des débits d’étiage de chaque section donnent une référence quantitative, mais elles ne permettent pas une comparaison directe avec d’autres cours d’eau. C’est la raison pour laquelle on présente aussi les débits spécifiques d’étiage. Ces valeurs sont calculées par rapport à la surface drainée, et elles peuvent être comparables entre elles et avec celles d’autres bassins versants.

On voit que la station de São Pedro présente un fort débit spécifique, autour de 75 l/s/km², mais cette valeur est un peu surestimée en raison du temps réduit de suivi hydrométrique dans cette section. A la station de Rio dos Patos, la valeur trouvée pour le débit spécifique d’étiage est bien plus faible, autour de 15 l/s/km².

De la station Rio dos Patos à Tereza Cristina, on observe une forte augmentation du débit spécifique d’étiage. La station de Tereza Cristina reçoit la contribution de quelques affluents qui drainent l’escarpement situé entre le 2ème et le 3ème plateau du Paraná ; ceci explique cette augmentation du débit spécifique d’étiage observé.

A partir de Tereza Cristina, on observe une réduction relativement linéaire et forte du débit spécifique d’étiage, jusqu’à la station de Porto Paraíso do Norte. Après Porto Paraíso do Norte, cette réduction reste linéaire, mais devient un peu plus faible qu’auparavant. Une hypothèse pour expliquer ce changement de comportement peut être trouvée dans la géologie du bassin versant. Il est probable que, pendant les étiages, la partie aval de l’Ivaí est approvisionnée par l’eau emmagasinée dans les grès de la formation Caiuá. Afin de mieux connaître le rôle joué par les eaux souterraines dans le comportement des débits d’étiage dans le bassin de l’Ivaí, une étude sur le tarissement des nappes a été faite.

Le tarissement est un événement hydrologique qui a lieu au moment de la décrue, en l’absence de précipitations, après l’écoulement superficiel et hypodermique (écoulement des couches supérieures des sols). Pendant le tarissement, les débits se réduisent et les nappes souterraines se vident, en approvisionnant le cours d’eau. La décroissance des débits se fait de façon exponentielle, ce qui veut dire que les débits se réduisent de plus en plus lentement (GONOT, 1996 ; GIRET, 2007). La dynamique de tarissement des nappes pendant des longues périodes d’étiage a été expliquée par la loi de Maillet (1905) :

Q_t = Q₀. e-α.t

Où :

Q_t = débit à l’instant t donné ;

Q₀ = débit initial de la phase de tarissement ;

α = coefficient de tarissement de la nappe (appelé aussi coefficient k).

D’après la loi de Maillet (1905), on retient le coefficient de tarissement α, un coefficient adimensionnel qui exprime la vitesse avec laquelle les nappes souterraines se vident. On a choisi ce coefficient car la valeur d’alpha dépend de la géologie et de la géomorphologie des terrains drainés. Ce coefficient présente aussi l’avantage d’être comparable d’un bassin versant à l’autre (GONOT, 1996).

Selon la loi de Maillet (1905), le calcul du coefficient de tarissement α est donné par l’équation :

α = - logn(Q_t/Q₀)/t

Dans le bassin versant de l’Ivaí, le coefficient α a été calculé pour les six stations qui disposaient de données pluviométriques (Figure 68). Pour chaque station, plusieurs phases de tarissement ont été sélectionnées, et plusieurs valeurs d’alpha ont été calculées.

Les valeurs d’alpha trouvées pour les différentes sections de l’Ivaí montrent que le tarissement des nappes ne se produit pas de façon homogène pour tout le bassin versant, mais qu’il varie entre les stations et au sein d’une même station.

A la section de Rio dos Patos, les valeurs d’alpha sont relativement élevées, ce qui indique que la vidange des nappes est rapide. On voit que le coefficient médian de tarissement se trouve autour de 0,035, mais la dispersion de l’ensemble de valeurs est assez importante. Cette station draine les terrains sédimentaires du deuxième plateau du Paraná, et en fonction des valeurs d’alpha trouvées, on peut estimer que ces sédiments ne sont pas très perméables, pour cette raison, ils ne sont pas capables de maintenir le débit de base pendant de longs étiages.

La section de Porto Espanhol est aussi entourée par les terrains sédimentaires qui forment la transition entre le 2ème et le 3ème plateau. On voit que la médiane des valeurs d’alpha calculées pour cette section est de 0,032, pas très différente de celle trouvée pour la station de Rio dos Patos, néanmoins l’ensemble de valeurs de Porto Espanhol est un peu moins dispersé que l’ensemble de valeurs trouvées pour la station précédente.

A la section d’Ubá do Sul, les valeurs d’alpha sont très élevées. La médiane est de 0,047 et l’ensemble présente une forte dispersion. Cette section se trouve sur les roches volcaniques de la Formation Serra Geral. Ces roches sont généralement très imperméables ; les fractures sont les seuls milieux de subsurface où les eaux peuvent s’accumuler. Au moment des étiages, la vidange de ces stocks est très rapide, ce qui explique les fortes valeurs d’alpha observées.

La section suivante, celle de Porto Bananeiras, draine aussi des terrains volcaniques de la Formation Serra Geral. On voit que les coefficients de tarissement trouvés pour cette section sont bien plus faibles que ceux de la section d’Ubá do Sul. La médiane des valeurs d’alpha est de 0,031, similaire à celle des sections de Rio dos Patos et Porto Espanhol, qui drainent les formations sédimentaires du haut bassin versant. La dispersion de l’ensemble de valeurs d’alpha est aussi inférieure à celle de la section d’Ubá do Sul. Il est probable que cette réduction de la vitesse de tarissement et cette réduction de la dispersion de l’ensemble de valeurs sont liées à la présence de couches de basalte vacuolaire. Ces roches, parfois touchées par les processus d’altération, présentent une perméabilité secondaire liée aux fractures et aux vacuoles. Pendant les étiages plus prolongés, ces couches maintiennent le débit de base, avec un transfert d’eau plus rapide dans les fractures et plus lent entre les vacuoles.

A la section de Porto Paraíso do Norte, l’Ivaí court sur le basalte, mais il reçoit des eaux des d’affluents qui drainent les grès de la Formation Caiuá. Les valeurs du coefficient de tarissement dans cette section sont bien plus faibles que celles des sections précédentes. La valeur médiane d’alpha pour cette section est de 0,023, ce qui indique que la vidange des nappes se passe de façon très lente. On voit aussi que l’ensemble de valeurs n’est pas très dispersé ; il s’agit de la plus faible dispersion de toutes les sections analysées. Il est probable que la présence du grès Caiuá, très perméable, est responsable du tarissement très lent et peu variable observé dans cette section.

A Novo Porto Taquara, l’Ivaí court entièrement sur le grès. On observe que la médiane des coefficients de tarissement pour cette section est de 0,020, la plus faible du bassin versant. La majorité des valeurs se trouve autour de la médiane, mais la dispersion des valeurs est plus forte que celle observée à Porto Paraíso do Norte. Le tarissement lent peut aussi être expliqué par la présence du grès Caiuá. La dispersion plus forte peut être liée à la présence de la plaine alluviale, composée de différents niveaux sédimentaires, avec des vitesses différentes de tarissement. A la dernière section de mesure, le tarissement des débits de Novo Porto Taquara est soumis à l’influence du tarissement des sections précédentes, ce qui peut aussi expliquer la variabilité des valeurs trouvées.

D’après l’ensemble de résultats (Figure 69), on voit que la vitesse de tarissement exprime de façon approximative les caractéristiques géologiques du bassin versant de l’Ivaí. Dans les séquences sédimentaires paléozoïques du haut bassin versant, la vitesse de vidange des nappes peut être considérée comme moyenne. Ceci peut varier beaucoup, mais les résultats montrent que, dans la majorité des cas, le tarissement est inférieur à 0,040. Dans les roches volcaniques, la vidange des nappes est en général plus rapide. Les variations sont très fortes, les nappes de ce secteur pouvant souvent avoir un comportement semblable à celui trouvé dans les séquences sédimentaires paléozoïques, et exceptionnellement les nappes peuvent avoir un comportement semblable à ce qu’on observe dans le grès. Malgré ces variations de comportement, dans la majorité des cas les valeurs de tarissement sont au-dessus de 0,029. Dans le grès Caiuá le tarissement est nettement plus lent. Les valeurs sont très concentrées autour de la médiane de 0,023, et la grande majorité des valeurs est au-dessous de 0,030. Dans des situations extrêmes, le tarissement des nappes dans le grès peut être très lent, et s’abaisser jusqu’à 0,007.

Le calcul du coefficient de tarissement des nappes pour les sections de mesure de l’Ivaí a donc permis une meilleure compréhension du fonctionnement hydrologique du bassin versant, principalement pendant les périodes d’étiage. Cependant, on doit considérer que les résultats ici présentés sont encore un peu limités. Plusieurs facteurs peuvent interférer, comme la difficulté de bien séparer la phase de tarissement des autres phases hydrologiques sur les hydrogrammes (GIRET, 2007), l’épaisseur et la nature des formations superficielles et des sols, ou encore le court temps de suivi hydrométrique aux stations et pluviométriques. Il est probable qu’avec un temps d’observation supérieur, les valeurs de tarissement présenteraient des tendances plus nettes.