Régime et fonctionnement hydrologiques

La distribution temporelle des hauteurs limnimétriques moyennes mensuelles de quelques tributaires luxembourgeois de la Sûre et de la Moselle établie sur au minimum 30 ans de données quotidiennes (cf. figure ci-dessous), traduit l'influence combinée des régimes thermique et pluviométrique. Le rythme saisonnier est unimodal avec des hautes eaux d'hiver (maximum de janvier-février) associées à des crues océaniques parfois sévèrement inondantes, et des basses eaux d'été surtout creusées en septembre et secondairement en octobre. Le caractère pluvial océanique ne fait aucun doute, l'influence de la fonte nivale étant négligeable sur le régime des hautes eaux dans le Nord du pays (absence de maximum secondaire printanier).

Hauteurs limnimétriques moyennes mensuelles pour quelques tributaires luxembourgeois de la Moselle

Les coefficients mensuels de débits (rapport du débit moyen mensuel au module annuel) déterminés sur deux séries trentenaires de débits journaliers enregistrées à Esch-sur-Alzette et Itzigersté (station située sur l'Alzette juste en amont de Luxembourg-ville) montrent une stabilité du régime de l'Alzette entre ces deux stations, la saisonnalité du régime étant conditionnée en hiver par les apports pluviométriques et en été par une évapotranspiration prédominante sur les abats pluviométriques. Le régime de ce cours d'eau est donc aussi de type pluvio-évaporal, propriété que l'on peut raisonnablement étendre à l'ensemble des cours d'eau non perturbés (i.e. dont l'homme n'a pas régulé significativement la réponse au régime climatique) du Luxembourg, comme en témoigne la figure ci-dessous pour une rivière importante de l'Oesling.

Débits mensuels moyens et coefficients mensuels de débit (CMD) de la Wiltz à Winseler (période 1989-1997)

Ce schéma d'ensemble ne doit pas masquer cependant les nuances introduites par la nature géologique du sous-sol, les modalités de mise en valeur des sols et les facteurs climatiques sur le régime hydrologique des différents cours d'eau du Luxembourg. Ainsi, en se fondant sur l'étude du rapports débit moyen maximum/débit moyen minimum (K) des sous-bassins de l'Alzette, il est possible d'opposer un régime pondéré des cours d'eau drainant les bassins à couverture gréseuse importante (partie aval de l'Eisch, Pall à Niederpallen par exemple) que l'on peut étendre à d'autres émissaires importants comme l'Ernz Noire où l'Ernz Blanche, dont le coefficient K est inférieur à 10, à un régime doté d'une certaine excessivité, comme en témoignent les valeurs de K trouvées pour les sous-bassins « imperméables », à dominante marneuse, de l'Alzette qui s'échelonnent de 15 à 95. Par ailleurs, en se plaçant à l'échelle de l'événement pluie-débit, les hydrogrammes de crues sont davantage impulsionnels (à superficie équivalente temps de réponse plus court, montée et descente de crue plus rapides) sur les bassins marneux ou marno-calcaires et schisteux, compte tenu de l'importance de l'exfiltration de pied de versant et de l'écoulement direct de crue sur surfaces saturées lors de la génération des débits de crue. En hiver, les coefficients d'écoulement de crue (rapport entre lame d'eau de crue et lame d'eau spatiale incidente) y dépassent parfois 40 % (cas de la Mamer à Mamer). A l'inverse, les bassins gréseux ou à dominante gréso-calcaire présentent des hydrogrammes de crue plus tamponnés où le débit de base occupe une place prépondérante grâce à leur meilleure infiltrabilité d'ensemble, générant des coefficients d'écoulement de crue hivernaux inférieurs à 20 % (cas de l'Eisch à Hunnebour partie gréseuse).

A titre d'exemple, l'hydrogramme de crue de l'événement pluie-débit exceptionnel de janvier 2003 (cf. figure ci-dessous) est fourni pour la Clerve à Kautenbach, rivière située dans l'Oesling (222 km²), l'Eisch à Hunnebour (172 km²), affluent de rive gauche de l'Alzette, et la Mamer à Mamer (18 km²), petit tributaire de l'Alzette localisé au centre-ouest de ce bassin. Le profil différencié des trois hydrogrammes met en évidence un contraste entre :

Une réponse hydrologique rapide et bi-modale de la Mamer à Mamer, calquée sur la structure temporelle de l'épisode pluvieux et traduisant un haut rendement hydrologique caractéristique des petits bassins-versants marneux.

Une réponse hydrologique quasi unitaire de l'Eisch à Hunnebour dont le bassin versant est marqué par un rendement hydrologique en faible augmentation au cours de la période considérée, caractéristique des bassins versants à couverture gréseuse importante qui absorbe une grande part des précipitations incidentes.

Hyétogramme et hydrogrammes de crue (débit spécifique) enregistrés sur trois cours d'eau du Grand-Duché de Luxembourg. Crue de janvier 2003

Une réponse hydrologique unitaire de la Clerve à Kautenbach, dont le profil en toit de pagode ressemble fortement à un profil d'hydrogramme représentatif d'un milieu urbain (abstraction faite de l'échelle des temps) ou la part du débit de base dans l'écoulement total augmente peu lors d'un événement de crue à la différence de l'écoulement de crue généré quasi exclusivement par un écoulement rapide de surface ou de sub-surface.

Il ressort de cette analyse, qu'en première approximation, on peut régionaliser les processus hydrologiques sur les bassins versants élémentaires de la façon suivante :

Dans l'Oesling, les versants raides et rectilignes, les sols minces et les fonds de vallées étroits font prévaloir un écoulement interne de type hypodermique (subsurface flow) et un écoulement direct sur les aires saturées de fond de vallon.
Dans le Gutland, sur les terrains à dominante marneuse, les sols plus épais, les bas de versants à concavité douce, les fonds de vallées larges avec perméabilité forte à faible, font prévaloir l'écoulement direct sur les zones saturées aval et le ruissellement par refus d'infiltration (excess overland flow) dans l'écoulement rapide de crue avec une importance moindre des écoulements internes de type hypodermique (subsurface flow). Sur les formations superficielles plus perméables (manteau sableux dérivé du grès du Luxembourg par exemple), les écoulements internes sont majoritaires dans l'écoulement de crue.

Enfin en période de basses eaux, les rendements sont très variables en fonction des substrats géologiques. Sur les six cours d'eau jaugés lors d'une campagne de mesure menée au cours de l'été 1997, un meilleur soutien d'étiage a pu être mis en évidence sur les cours d'eau drainant majoritairement des formations gréseuses (Ernz Noire à Grundhof, Eisch à Hunnebour) avec des débits spécifiques dépassant 3 l.s^-1.km^-2, alors que pour les bassins à dominante marneuse ou schisteuse (Kirel, affluent de rive gauche de la Wiltz, Mamer à Mamer), les débits spécifiques n'ont jamais excédé 2 l.s^-1.km^-2.

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