La quasi-totalité du département fait partie du bassin de la Garonne, à l’exception de quelques ruisseaux descendant vers la Méditerranée. La ligne de partage des eaux suit la crête de la montagne Noire et des monts de Lacaune. Le relief de l’est du département est un véritable château d’eau avec plus de 1 500 mm et ponctuellement jusqu’à 2 100 mm. La saison arrosée va de décembre à avril et le débit des rivières suit la même durée, la masse neigeuse stockée étant très faible et de courte durée. Les mois secs vont de juin à août et correspondent à une baisse du débit des rivières. L’étiage est sévère sur les petits cours d’eau mais plus lissé dans les rivières en aval.
La principale rivière est le Tarn. Il draine une grande partie du département avec son affluent majeur, l’Agout. Ce dernier, né dans les monts de Lacaune, reçoit les eaux du Thoré et du Sor rive gauche, et celles du Dadou, rive droite.
Ces cours d’eau ont vu les redoutables crues comme celle des inondations de mars 1930 dans le Tarn écrêtées par des barrages. Outre leur rôle régulateur du débit, ils constituent des réserves d’eau pour l’adduction d’eau potable, d’eau pour l’irrigation, la production d’électricité et sont souvent aménagés pour l’accueil de bases nautiques : barrage de la Raviège et sur l’Agout, barrage du Laouzas sur la Vèbre, barrage des Cammazes sur le Sor, Barrages de Rassisse (ou Razisse) et la Bancalié sur le Dadou, barrage des Saints-Payres sur l’Arn, barrage de la Roucarié et lac de Fonbonne sur le Céret. Le plus ancien est le barrage de Saint-Ferréol qui partage ses rives avec la Haute-Garonne, et l’aude, construit par Pierre-Paul Riquet pour assurer l’approvisionnement en eau du canal du Midi. Depuis 1997, le barrage est inscrit au titre des monuments historiques et fait partie des grands Sites de Midi-Pyrénées. Le projet du barrage de Sivens sur le Tescou a été très médiatisé par les affrontements juridiques et physiques entre partisans et adversaires.
Au nord du département deux rivières se jettent dans l’Aveyron, ce sont la Vère et le Cérou.
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