Coefficient de ruissellement

Une expérience pour découvrir le principe de ruissellement et son impact au quotidien !

Difficulté

Easy Facile

Durée

1 hour(s) heure(s)

Disciplines scientifiques

Science de la terre

eau de ruissellement, pluie, sol, ruissellement, infiltration, inondations

Introduction

On a vu sur la maquette de bassin versant que la pluie s’écoule jusqu’à une rivière, puis jusqu’à la mer.

Toute la pluie ? Pas si sûr ! Une partie de l’eau est absorbée par le sol. Le reste, qui s’écoule, est appelé "ruissellement".

• Matériel et outils

Barquette

Petit récipient léger et rigide utilisé pour le conditionnement de produits alimentaires.

Barquette

Eponge

C'est une éponge.

Eponge

Bassine

Une bassine est un récipient ouvert et plus large que haut, pouvant comporter des poignées. Elles sont généralement en tôle galvanisée ou en matière plastique.

La bassine est un accessoire ménager très prisé dans les pays en voie de développement, où elle trouve de multiples usages, principalement alimentaire et pour le linge. Elle sert ainsi de récipient pour collecter et nettoyer de la nourriture (coquillages, légumes, etc.) ; elle permet de transporter le linge sale entre le domicile et le lavoir, avant de le ramener pour le faire sécher.

Le principal lieu de production des bassines est l'Asie du sud-est.

Bassine

Bouteille plastique

Une bouteille, mais en plastique quoi

Bouteille plastique

Vrille

Une vrille est un outil manuel, avec en embout en spirale, permettant de faire des trous, d'un diamètre lié à la taille de l'outil, dans le bois1. C'est une sorte de mèche actionnée à la main.

Vrille

Paire de ciseaux

Outil tranchant qui permet de couper divers matériaux.

Paire de ciseaux

Aluminium

Rouleau d'aluminium

Aluminium

Étape 1 - Préparer les éponges

Avant tout, il faut s’assurer que les éponges tiennent dans les barquettes plastiques choisies. Elles n’ont pas besoin d’en occuper tout l’espace, mais c’est mieux si c’est le cas ! Si besoin, découpe-les pour les faire rentrer.

Dans l’idéal, il faudra 3 éponges et 3 barquettes identiques. Dans notre expérience, elles représenteront différents sols.

Pour cette expérience, il te faudra une éponge totalement sèche ! Pour cela, il faut bien l’essorer puis la faire sécher, au soleil ou sur un radiateur selon le temps (il est également possible de la mettre au four, si la température peut descendre en dessous de 80°C).

Découpe une feuille de plastique (ou d’aluminium) à la taille d’une des éponges.

Étape 2 - Préparer les barquettes

Les barquettes plastiques nous serviront de bassins versants. Tu peux déjà identifier ses limites : les bords définissent la ligne de partage des eaux.

Pour l’estuaire, nous allons découper une ouverture au centre d’un des petits côtés de la barquette.

Découpe aux ciseaux une petite ouverture (quelques millimètres de largeur) sur chaque barquette.

Essaie de faire la même ouverture sur les trois barquettes.

Étape 3 - Préparer la pluie

Si tu as déjà utilisé une bouteille avec un bouchon percé pour une autre expérience, tu peux la récupérer et passer cette étape !

Pose le bouchon sur une table et perce une dizaine de trous en appuyant et tournant avec une vrille, une vis ou un clou. Plus tu auras de trous, plus ta pluie sera efficace !

Ensuite, tu peux remplir la bouteille d’eau et remettre le bouchon. Tu peux également ajouter du colorant alimentaire à l’eau si tu veux mieux la voir.

Étape 4 - Préparer les bassins versants

Maintenant, réunis le matériel :

Dans une des barquettes, place l’éponge sèche, le plus haut possible si elle n’occupe pas toute la place.

Dans une seconde, tu peux mettre une éponge humidifiée. Pour cela, plonge-la dans l’eau puis essore la bien.

Dans la troisième, place une éponge gorgée d’eau.

Garde la feuille plastique de côté, elle te servira ensuite !

Étape 5 - Réalise l’expérience !

Fais pleuvoir de la même façon sur chaque éponge, regarde comment se comporte ton bassin versant.

Est-ce que tu vois des changements avec le temps ?

Observe bien l’eau ! Circule-t-elle de la même façon dans chaque barquette ? En vois-tu dans lesquelles ca déborde ?

Recommence l’expérience en plaçant la feuille de plastique sur l’éponge. Que remarques-tu ?

Comment ça marche ?

Observations : que voit-on ?

La pluie est absorbée par l'éponge humide et s'écoule tout doucement en sortie de la barquette.

Par contre, si l'éponge est sèche ou gorgée d'eau, elle s'écoule dessus ! On observe alors toute l'eau arriver à la sortie et ça déborde !

Si on arrose assez longtemps, ca change : l’éponge sèche commence à absorber de l’eau, et l’éponge humide sature et n’arrive plus à retenir la pluie !

Enfin, quand on ajoute une couche étanche, quel que soit le sol en dessous, une grande partie de l’eau s’écoule directement jusqu’à l’estuaire.

Mise en garde : qu'est-ce qui pourrait faire rater l'expérience ?

• Si tu n’arroses pas chaque barquette de la même manière, impossible de comparer !
• S'il n'y a pas de différence d'humidité entre les éponges en début d'expérience, il sera difficile d'observer des résultats.
• Si l'ouverture de la barquette est trop grande, il n'y aura pas de débordement ou d'inondation !

Explications

Lorsque la pluie tombe, une partie de l’eau est absorbée par le sol et une autre se met à s’écouler à la surface, on parle alors de ruissellement. Selon le sol, la pente et l’intensité de la pluie, la part de l’eau qui ruisselle peut varier. En hydrologie (l’étude des mouvements de l’eau) on parle de “coefficient de ruissellement”. Celui-ci s’exprime en pourcentage de l’eau qui ruisselle par rapport à la totalité de l’eau qui tombe sur une surface.

Ce coefficient varie selon le type de sol (sable, terre, route, etc.).

Dans notre expérience, le coefficient de ruissellement des éponges varie beaucoup selon leur taux d’humidité. Il est très élevé sur les éponges sèche et gorgée d’eau et plutôt faible sur l’éponge humide. Un même sol peut avoir un coefficient de ruissellement très différent selon son état.

Tu peux également essayer de refaire l’expérience en faisant varier l’inclinaison des éponges ou l’intensité de la pluie !

Lorsque l’on ajoute une couche étanche (feuille de plastique ou aluminium, en hydrologie on parle de surface imperméable), l’eau qui tombe dessus ne peut pas atteindre le sol ! Elle se met alors à ruisseler. Même si elle ruisselle jusqu’à une couche dans laquelle elle peut s’infiltrer, celle-ci ne sera généralement pas capable d’absorber toute l’eau qui tombe sur sa surface en plus de celle qui arrive.

Plus d'explications

Tu as remarqué que nos éponges, même si on les essore bien, contiennent encore de l’eau ? C’est la même chose pour le sol ! Il a une capacité à retenir de l’eau. Pour un sol, la quantité d’eau qu’il peut absorber entre le moment ou il est sec et le moment où il sature (il ne peut pas contenir plus d’eau) est appelée “réserve utile”. C’est la quantité d’eau qui peut en être facilement extraite, par les racines des plantes par exemple. Celle-ci est mesurée en millimètres de hauteur d’eau, comme la pluie. Elle varie principalement selon le type de sol (graviers, sable, terre argileuse).

Lorsqu’une éponge est gorgée d’eau (dès le début ou après quelques instants d’arrosage) elle n’est plus capable d’en absorber. Son coefficient de ruissellement monte alors jusqu’à 100% (toute l’eau ruisselle) ! C'est la même chose pour le sol, si la pluie est trop intense ou dure trop longtemps, il finira par saturer.

Nos éponges ont des coefficients de ruissellement très différents selon leur état.

De la même façon, l’inclinaison ou le relief du sol peut influer fortement sur le ruissellement. Tu peux tester cela facilement chez toi : l’eau s'acoule très rapidement sur les surfaces qui ne sont pas horizontales. Un sol en pente a un coefficient de ruissellement bien supérieur à celui d'un sol horizontal de même surface . Au contraire, si un sol comporte des bosses et des creux, ceux-ci vont ralentir l’écoulement de l’eau et l’aider à s’infiltrer.

Applications : dans la vie de tous les jours

Le coefficient de ruissellement varie beaucoup selon l’usage et la végétation d’un sol. On estime que 5% de l’eau qui tombe sur une forêt ruisselle, contre 25% sur un champ cultivé.

Et dans nos villes alors ? Les toits de nos habitations n’absorbent pas l’eau, bien au contraire, leur coefficient de ruissellement est de 100% ! Globalement, le coefficient de ruissellement en ville dépasse 90%. Lorsque nous construisons nos habitations ou nos routes, nous créons des surfaces imperméables (étanches) pour l’eau. Lors de fortes précipitations, celle-ci est alors contrainte de ruisseler. Les petites surfaces qui ne sont pas recouvertes ne suffisent généralement pas à absorber toute l’eau qui tombe sur toute la zone. L’eau continue de ruisseler et s’accumule, c’est l’inondation !

On estime qu’en 2010, presque 9% de la surface de la France était artificialisée (c’est à dire utilisée par l’homme, d’une manière ou d’une autre), dont 5% totalement imperméables (habitations, routes, etc.) !

L’artificialisation des sols continue en France ! Dans la majorité des cas (90% entre 2000 et 2006), ce sont d’anciens sols agricoles qui sont artificialisés. Ceux-ci ne sont alors plus capables d’absorber et de filtrer l’eau.

Aujourd’hui, lorsque que l’on souhaite créer de nouvelles zones d’habitations, on est obligé de prendre en compte le ruissellement. Une solution souvent utilisée est de créer un “bassin de rétention”, qui va pouvoir accueillir toute l’eau qui ruisselle et éviter les inondations. Celui-ci a un coefficient de ruissellement très faible, voire nul, d’abord parce qu’il est en forme de cuvette (l’eau ne peut pas s’en échapper), mais aussi parce que son sol est très perméable, comme du sable.

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• Attention, ça déborde !
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• Transport et erosion

Éléments pédagogiques

Objectifs pédagogiques

Comprendre le principe de coefficient de ruissellement et le rôle du sol dans l’absorption de la pluie.

Découvrir comment se forme une inondation.

Découvrir l'impact de l'artificialisation des surfaces sur l'écoulement de l'eau.

Pistes pour animer l'expérience

Pour amener l'expérience, il est possible de la présenter comme une suite de l'expérience "Le bassin versant".

La feuille plastique ou aluminium représente un sol imperméabilisé, comme une ville. Or en ville, il y a souvent des espaces verts, même minimes ! Une activité possible est de "dessiner" une partie de ville (en s’aidant de cartes par exemple) et de découper la feuille étanche pour avoir des ouvertures qui correspondent aux zones où le sol est à découvert. On peut ensuite comparer le coefficient de ruissellement global de différents quartiers.

Une autre piste est d’amener le public à s’interroger sur la formation des inondations ou simplement de flaques. Dans ce cas, l’éponge peut servir à représenter un aquifère (nappe d’eau souterraine). Lorsque celui-ci est rempli, l’eau déborde et s’écoule.

Il est également possible d'utiliser cette expérience pour mettre en évidence le transport des polluants ! Pour cela, ajouter quelques gouttes de colorant (ou d’encre) sur chaque éponge (puis sur la feuille étanche) lors de la mise en place. On peut alors observer comment évolue la "pollution" selon le coefficient de ruissellement.

Sources et ressources

[1] Rapport du Commissariat Général au Développement Durable sur l'artificialisation des sols.

[2] Rapport du Groupement d'Intérêt Scientifique sur l'utilisation des sols français.

[3] Guide technique du Groupe Transversal Inondation de Wallonie (Belgique) sur le dimensionnement des bassins de rétention.

Dernière modification 28/02/2023 par user:UnAutreJules.

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