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UNIVERSITE MONTPELLIER II SCIENCES ET TECHNIQUES DU LANGUEDOC T H E S E pour obtenir le grade de DOCTEUR DE L'UNIVERSITE MONTPELLIER II Discipline : Structure et évolution de la Terre et des autres planètes Ecole Doctorale : SIBAGHE présentée et soutenue publiquement Par Youssef AL ALI le 14 décembre 2007 JURY M. DESBORDES Michel Professeur, UMII, Montpellier Président M. ALBERGEL Jean Directeur de Recherche, IRD, Montpellier Directeur de Thèse Mme. COSANDEY Claude Directeur de Recherche, CNRS, Paris Rapporteur M. ESTEVES Michel Directeur de Recherche, IRD, Grenoble Rapporteur M. NASRI Slah Maître de Recherche, INRGREF, Tunis Examinateur Les aménagements de conservation des eaux et des sols en banquettes Analyse, fonctionnement et essai de modélisation en milieu méditerranéen (El-Gouazine, Tunisie Centrale)

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UNIVERSITE MONTPELLIER II SCIENCES ET TECHNIQUES DU LANGUEDOC

T H E S E

pour obtenir le grade de

DOCTEUR DE L'UNIVERSITE MONTPELLIER II Discipline : Structure et évolution de la Terre et des autres planètes

Ecole Doctorale : SIBAGHE

présentée et soutenue publiquement

Par

Youssef AL ALI

le 14 décembre 2007

JURY

M. DESBORDES Michel Professeur, UMII, Montpellier Président

M. ALBERGEL Jean Directeur de Recherche, IRD, Montpellier Directeur de Thèse

Mme. COSANDEY Claude Directeur de Recherche, CNRS, Paris Rapporteur

M. ESTEVES Michel Directeur de Recherche, IRD, Grenoble Rapporteur

M. NASRI Slah Maître de Recherche, INRGREF, Tunis Examinateur

Les aménagements de conservation des eaux et des sols en banquettes

Analyse, fonctionnement et essai de modélisation

en milieu méditerranéen (El-Gouazine, Tunisie Centrale)

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I

RemerciementsRemerciementsRemerciementsRemerciements

Cette thèse a été réalisée au sein du LISAH, Laboratoire d’études des Interactions Sol-Agrosystème-Hydrosystème à Montpellier. Doté d'un important volet expérimental, ce travail est le fruit de nombreuses collaborations et de l’appui de plusieurs personnes en France et en Tunisie. Je souhaite les remercier ici :

Je tiens tout d'abord à exprimer ma gratitude à mon directeur de thèse M. Jean AlbergelM. Jean AlbergelM. Jean AlbergelM. Jean Albergel qui m’a accordé sa confiance. Il a soutenu ce travail en usant de grandes qualités scientifiques et humaines. Je le remercie en particulier pour les week-ends où il a dû travailler avec moi lors de ses passages à Montpellier.

J’adresse mes sincères remerciements à M. Marc VoltzM. Marc VoltzM. Marc VoltzM. Marc Voltz, Directeur du LISAH pour m'avoir accueilli au sein de son laboratoire. Je remercie aussi sincèrement M. Slah Nasri,M. Slah Nasri,M. Slah Nasri,M. Slah Nasri, pour m'avoir accueilli à l'INRGREF en Tunisie et pour avoir mis à ma disposition des données nécessaires à mon travail.

Je suis très reconnaissant à MMMMMMMM. Jaoudat Touma. Jaoudat Touma. Jaoudat Touma. Jaoudat Touma et Patrick Zante Patrick Zante Patrick Zante Patrick Zante qui m'ont toujours été d'une aide importante que ce soit lors des manipulations sur le terrain ou du traitement des données. Je les remercie aussi pour avoir relu minutieusement mon manuscrit et avoir ainsi participé à son amélioration.

Je tiens à exprimer mes remerciements aux membres du jury qui ont accepté d’évaluer mon travail de thèse et en particulier Mme. Claude CosandeyMme. Claude CosandeyMme. Claude CosandeyMme. Claude Cosandey et M. Michel EstevesM. Michel EstevesM. Michel EstevesM. Michel Esteves pour avoir bien vouloir être les rapporteurs de ce mémoire et Prof. Michel DesbordesProf. Michel DesbordesProf. Michel DesbordesProf. Michel Desbordes qui avait déjà jugé mon travail de DEA.

Je tiens à remercier M. Nejib RejebM. Nejib RejebM. Nejib RejebM. Nejib Rejeb, Directeur de l’INRGREF et M. Antoine CornetM. Antoine CornetM. Antoine CornetM. Antoine Cornet, Représentant de l’IRD en Tunisie, pour avoir facilité mes démarches administratives relatives aux visas et aux séjours. Je remercie également M. Hedi HamrouniM. Hedi HamrouniM. Hedi HamrouniM. Hedi Hamrouni, Directeur de la Direction des sols de l’ACTA et tous les membres de cet organisme pour la réalisation des analyses de sol et leurs aides logistiques sur le terrain.

L’évolution de ce sujet de thèse a été considérablement guidée par les conseils précieux des membres du comité de pilotage : MMMMM.M.M.M. Damien RaclotDamien RaclotDamien RaclotDamien Raclot, JeanJeanJeanJean----Marie LamachereMarie LamachereMarie LamachereMarie Lamachere et Yves. Le BissonnaisYves. Le BissonnaisYves. Le BissonnaisYves. Le Bissonnais. Je les remercie de m’avoir accordé du temps pour discuter des orientations de mes travaux.

J’aimerais remercier l’intégralité des chercheurs du LISAH, qui étaient toujours disponibles pour m'apporter leurs aides. Je tiens particulièrement à remercier en ce sens M. Patrick AndrieuxM. Patrick AndrieuxM. Patrick AndrieuxM. Patrick Andrieux pour ses conseils scientifiques, M. Roger MoussaM. Roger MoussaM. Roger MoussaM. Roger Moussa pour son aide sur la prise en main du modèle MHYDAS, et M. Yannick M. Yannick M. Yannick M. Yannick PepinPepinPepinPepin pour son aide précieux lors du dépouillement des données hydrologiques.

Je profite aussi de ces quelques mots pour exprimer combien ce fut un plaisir de travailler avec M. Ben M. Ben M. Ben M. Ben Younes Louati Younes Louati Younes Louati Younes Louati qui a participé activement aux expériences de terrain. Je le remercie pour sa bonne humeur.

J'adresse mes remerciements aussi à MMMMMMMM.... Jamil AbbasJamil AbbasJamil AbbasJamil Abbas, , , , Ahmed StambouliAhmed StambouliAhmed StambouliAhmed Stambouli et Abdullah AlAbdullah AlAbdullah AlAbdullah Al----drobidrobidrobidrobi pour leurs conseils précieux et pour avoir établi les liens avec le LISAH.

Toutes ces années passées au LISAH m’ont été rendues très agréables par un grand nombre de personnes; beaucoup de gratitude envers les permanents (secrétaires, techniciens, informaticiens et enseignants) pour leur aide et leur gentillesse. Je voudrais saluer spécialement, en ce sens, la disponibilité et l'efficacité de Mme. Mme. Mme. Mme. CécileCécileCécileCécile Fontana Fontana Fontana Fontana....

J'exprime toute mon amitié à la bande des thésards et des collègues qui m'ont rendu le travail très agréable; "les anciens combattants" : Insaf, Insaf, Insaf, Insaf, JihèneJihèneJihèneJihène,,,, Noëlle Noëlle Noëlle Noëlle, Olivier, Olivier, Olivier, Olivier et "les congénères" : Aline, Aline, Aline, Aline, JeanJeanJeanJean----BaptisteBaptisteBaptisteBaptiste,,,, JérômeJérômeJérômeJérôme,,,, MichaëlMichaëlMichaëlMichaël, , , , Myriam,Myriam,Myriam,Myriam, Rim Rim Rim Rim, SSSSébastienébastienébastienébastien, TinaTinaTinaTina et aussi "les néophytes" : MauricioMauricioMauricioMauricio, SylvioSylvioSylvioSylvio et Denis Denis Denis Denis. Merci AmiraAmiraAmiraAmira pour le coup de main lors des levés topographiques et CécileCécileCécileCécile pour tes conseils concernant HYDRUS. Les nombreuses heures passées ensemble resteront autant de bons moments. Bonne continuation à vous tous.

Mes pensées finales reviendront à mes chers parents et à l'ensemble de ma famille en Syrie, qui m'ont soutenu de loin pendant toutes ces années. Sans eux je n'aurais jamais pu aller au bout de mes projets.

Un grand MERCI enfin à mon épouse AreegAreegAreegAreeg qui m’a apporté la sérénité, le soutien moral et, en partie avec notre bébé qu'elle porte, la force d'aller au bout de ce travail…

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II

RESUME

Les banquettes anti-érosives sont des levées de terre construites à partir des matériaux pris dans un canal creusé suivant les courbes de niveau. Elles captent le ruissellement et en restreignent le pouvoir érosif. Cet aménagement est très répandu dans la zone méditerranéenne semi-aride et surtout en Tunisie où plus d’un million d’hectares ont été traités. Très peu de travaux sont disponibles sur les fonctionnements hydro-sédimentaires des espaces cultivés ainsi aménagés.

Ce travail a pour objectifs (1) la description des aménagements en banquettes couramment utilisés dans le bassin méditerranéen, (2) l’analyse du fonctionnement hydrologique d’un type particulier de banquette, les banquettes à rétention totale, (3) proposer des éléments de modélisation. La démarche adoptée suit deux approches expérimentale et numérique; la première consiste à caractériser le ruissellement, l’érosion et l'infiltration de l'eau retenue à l’échelle d’un espace inter-banquettes. La deuxième vise à modéliser ces différents phénomènes. A cette fin, deux parcelles d'environ 3000 m² chacune ont été délimitées et instrumentées sur un espace inter-banquettes du bassin versant d’El-Gouazine (Tunisie Centrale). La première parcelle est en jachère de parcours, alors que la deuxième est labourée.

L'étude expérimentale a permis de quantifier des bilans hydrologiques et sédimentaires de l’aménagement au cours de deux années hydrologiques. Elle a mis en évidence l'effet du travail du sol sur la réduction du ruissellement et de l'érosion. Des expérimentations complémentaires à l'échelle locale ont montré l'effet de la banquette sur l'augmentation de la réserve hydrique du sol en son amont. L'ensemble des expérimentations effectuées a fourni des données et des paramètres nécessaires pour la modélisation. Un modèle de ruissellement (MHYDAS-UH) sur l’espace inter-banquettes, et un modèle d’infiltration (HYDRUS 2D) dans le canal et la banquette ont été mis en œuvre. Ils ont permis de préciser le fonctionnement de l'aménagement et de tester des scénarios pour évaluer son comportement en conditions exceptionnelles.

Mots clés : Banquettes anti-érosives, fonctionnement hydrologique, érosion, ruissellement, modélisation, occupation du sol, région semi-aride, Tunisie Centrale.

Conservation of soil and water by contour banks management Analysis, functioning and modeling in Mediterranean area (Central Tunisia)

ABSTRACT Contour banks are earthen embankments constructed from material excavated by digging a

channel along contour lines. They intercept runoff before it concentrates into an erosive force. They are widely used in the semiarid Mediterranean zones of North Africa and especially in Tunisia where more than one million hectares are treated. However, little research has been performed on their hydrological functioning.

This research aims (1) to describe contour banks used in the Mediterranean area, (2) to analyze the hydrological functioning of a particular bank type: the total retention banks (3) to propose elements for a hydrological modeling able to compute water and sediment balances. Two approaches are adopted; experimental and numerical approaches. The first one consists in characterizing runoff, erosion and infiltration of water collected from the inter-bank. The second aims at modeling these phenomena. To this end, two plots of about 3000 m² each were delimited and instrumented on an inter-bank space of the El-Gouazine catchment (Central Tunisia). The first plot was fallow pasture while the second was tilled.

The experimental study allowed establishing sediment and water balances of the bank management during two hydrological years and characterizing the global functioning for both studied modalities. It shows the effect of tillage on reducing runoff and erosion. Complementary experiments performed on local scale showed the effect of the bank on increasing soil water reserves upstream of the bank. The performed experiments supplied data and necessary parameters for the modelling. A runoff model (MHYDAS-UH) in inter-bank space, and an infiltration model (HYDRUS 2D) in the bank channel are implemented. Both models have helped to specify the functioning of this management and to test scenarios for exceptional conditions.

Key words: Contour banks, hydrological functioning, erosion, runoff, land use, modeling, semi-arid region, Central Tunisia.

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III

TTaabbllee ddeess mmaatt iièèrr eess

INTRODUCTION GENERALE ------------------------------ ------------------------------ 1

PARTIE I. CADRE GENERAL DE L'ETUDE ET POSITION DU P ROBLEME4

CHAPITRE 1. L'EROSION DES SOLS EN MILIEU MEDITERRANEEN SEMI-ARIDE ET LA LUTTE ANTI-EROSIVE

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 4

1.1. Facteurs physiques naturels -------------------------------------------------------------------------------------4 1.2. Facteurs anthropiques --------------------------------------------------------------------------------------------5 1.3. L'effet néfaste de l'érosion en milieu méditerranéen--------------------------------------------------------6 1.4. L'aménagement anti-érosif en milieu méditerranéen -------------------------------------------------------7

CHAPITRE 2. LES BANQUETTES ANTI-EROSIVES ET LEUR SUCCES RECENT-------------------------------------- 9 2.1. Concepts et définitions-------------------------------------------------------------------------------------------9

2.1.1. Banquettes et terrasses------------------------------------------------------------------------------------------9 2.2. Particularités des zones semi-arides à l'origine de l'aménagement en banquettes ------------------- 10 2.3. Aperçu historique ----------------------------------------------------------------------------------------------- 10 2.4. Typologie -------------------------------------------------------------------------------------------------------- 11

2.4.1. Banquettes d’écoulement à rétention nulle ---------------------------------------------------------------- 11 2.4.2. Banquettes à rétention partielle ----------------------------------------------------------------------------- 12 2.4.3. Banquettes à rétention totale--------------------------------------------------------------------------------- 14

2.5. L’espacement entre banquettes------------------------------------------------------------------------------- 15 2.6. Capacité de rétention et hauteur des banquettes ----------------------------------------------------------- 16 2.7. Confection des banquettes mécaniques --------------------------------------------------------------------- 17 2.8. Durée de vie des banquettes ---------------------------------------------------------------------------------- 18 2.9. L’entretien des banquettes------------------------------------------------------------------------------------- 21 2.10. Inconvénients du système des banquettes ------------------------------------------------------------------ 21

CHAPITRE 3. CONNAISSANCES ACTUELLES SUR LE FONCTIONNEMENT DES BA NQUETTES ET OBJECTIFS DU TRAVAIL ENGAGE --------------------------------------------------------------------------------------------------------- 23

3.1. Travaux antérieurs sur le fonctionnement hydrologique des banquettes ------------------------------ 23 3.2. Positionnement de la problématique de recherche, objectifs de la thèse et les démarches

envisagées------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 26

PARTIE II. APPROCHE EXPERIMENTALE ------------------ -----------------------28

CHAPITRE 4. PROCESSUS DU RUISSELLEMENT ET DE L'EROSION, METHODE DU SUIVI A L ’ECHELLE DE L ' INTER -BANQUETTES---------------------------------------------------------------------------------------------------- 28

4.1. Généralité sur les processus du ruissellement et de l'érosion / dépôts --------------------------------- 28 4.2. Les précipitations et la genèse de l’érosion hydrique----------------------------------------------------- 29 4.3. Influence de l'état de surface---------------------------------------------------------------------------------- 30 4.4. Les parcelles de mesure du ruissellement et de l'érosion ------------------------------------------------ 31 4.5. Méthodes de suivi et d’analyse du bilan hydro-sédimentaire à l’échelle d’aménagements en

banquettes représentatifs-------------------------------------------------------------------------------------------------- 32 4.5.1. Bilan hydrologique à l'échelle de l'aménagement--------------------------------------------------------- 33 4.5.2. Bilan sédimentaire à l'échelle de l'aménagement --------------------------------------------------------- 34

CHAPITRE 5. CHOIX D ’UNE REGION, D’UN BASSIN VERSANT ET D’UN SITE D’ETUDE ------------------------- 37 5.1. Contexte géographique et climatique de la région d’étude ---------------------------------------------- 37

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IV

5.2. Le bassin versant d'El-Gouazine, localisation et caractérisations éco-géographique et pédologique --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 39

5.3. L'aménagement en banquettes dans le bassin versant ---------------------------------------------------- 44 5.4. Le site expérimental et les modalités à tester-------------------------------------------------------------- 44

5.4.1. Equipement antérieur du site -------------------------------------------------------------------------------- 45 5.4.2. Equipement de deux parcelles de mesures----------------------------------------------------------------- 47

CHAPITRE 6. LES RESULTATS DU SUIVI DU BILAN HYDRO -SEDIMENTAIRE , CARACTERISATION DU FONCTIONNEMENT GLOBAL DE L 'AMENAGEMENT ------------------------------------------------------------------ 52

6.1. Les bilans en eau------------------------------------------------------------------------------------------------ 52 6.1.1. Caractéristiques des averses --------------------------------------------------------------------------------- 52 6.1.2. Caractéristiques du ruissellement --------------------------------------------------------------------------- 56 6.1.3. Comportement hydrologique du canal --------------------------------------------------------------------- 58

6.2. Les bilans en sédiments---------------------------------------------------------------------------------------- 60 6.2.1. Mesures topographiques effectuées par théodolite laser------------------------------------------------- 60 6.2.2. Mesures manuelles, levés des piquets installés dans les canaux----------------------------------------63

6.3. Le bilan hydro-sédimentaire des deux modalités---------------------------------------------------------- 65

SYNTHESE ET CONCLUSION DE LA PARTIE EXPERIMENTALE ------------------------------------------------------ 66

PARTIE III. APPROCHE NUMERIQUE --------------------- --------------------------68

CHAPITRE 7. GENERALITE ET APERÇU HISTORIQUE SUR LA MODELISATION DU RUISSELLEMENT ET DE L 'EROSION ------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 68

7.1. Enjeu de modélisation------------------------------------------------------------------------------------------ 68 7.2. Aperçu sur l'évolution de la modélisation du ruissellement et de l’érosion hydrique --------------- 69 7.3. La modélisation mécaniste du ruissellement et de l’érosion hydrique--------------------------------- 70

7.3.1. L'échelle et la représentation des processus --------------------------------------------------------------- 71 7.3.2. Prise en compte des fonctions de production et de transfert -------------------------------------------- 72

7.4. Discussion et conclusion -------------------------------------------------------------------------------------- 78

CHAPITRE 8. REPRESENTATION SPATIALE DE L 'AMENAGEMENT ET CHOIX DES MODELES ----------------- 80 8.1. Représentation spatiale de l'aménagement et processus associés--------------------------------------- 80 8.2. Choix des modèles---------------------------------------------------------------------------------------------- 81

8.2.1. MHYDAS-UH et son module EROSION ----------------------------------------------------------------- 82 8.2.2. HYDRUS 2D, présentation du modèle--------------------------------------------------------------------- 87

CHAPITRE 9. EXPERIMENTATIONS DE CARACTERISATION DE L ' INFILTRABILITE ET DE L 'ERODIBILITE DES SOLS DANS L' INTER -BANQUETTES -------------------------------------------------------------------------------------- 91

9.1. Caractérisation de la production d'eau et de sédiments par simulation de pluie---------------------- 91 9.1.1. Simulation de pluie : méthode------------------------------------------------------------------------------- 92 9.1.2. Simulation de pluie : données sur le ruissellement ------------------------------------------------------- 93 9.1.3. Simulation de pluie : données sur l'érosion---------------------------------------------------------------- 95 9.1.4. Synthèse : cohérence avec les observations à l'échelle de l'inter-banquettes--------------------------97

9.2. Caractérisation de l'infiltrabilité par des essais d'infiltration simple anneau-------------------------- 98 9.2.1. Méthodes et matériel------------------------------------------------------------------------------------------ 98 9.2.2. Variabilité spatiale de la conductivité hydrique à saturation -------------------------------------------102 9.2.3. Discussion et conclusion ------------------------------------------------------------------------------------105

CHAPITRE 10. DETERMINATION DES PARAMETRES HYDRODYNAMIQUES DU SOL DANS LE CANAL DE LA BANQUETTE ------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 106

10.1. Placette de l'infiltration dans le canal et dispositif de mesures tensio-neutroniques----------------106 10.1.1. Tensiomètrie-------------------------------------------------------------------------------------------------107 10.1.2. Sonde à neutrons --------------------------------------------------------------------------------------------107

10.2. Inondations artificielles et suivi tensio-neutronique -----------------------------------------------------107 10.2.1. Critique des mesures et évaluation de la qualité des données-----------------------------------------107 10.2.2. Evolution de l'humidité volumique du sol ---------------------------------------------------------------108

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V

10.2.3. Evolution de la charge de pression -----------------------------------------------------------------------109 10.2.4. Variation des profils hydriques des deux côtés de la banquette --------------------------------------109 10.2.5. Détermination des propriétés hydrodynamiques du sol------------------------------------------------112

10.3. Conclusion ------------------------------------------------------------------------------------------------------114

CHAPITRE 11. MODELISATION EFFECTUEE ------------------------------------------------------------------------- 115 11.1. Application de MYDAS-UH --------------------------------------------------------------------------------115

11.1.1. Paramétrage et calage de MHYDAS-UH-HYDROLOGIQUE---------------------------------------115 11.1.2. Essai d'application de MHYDAS-UH-EROSION------------------------------------------------------117

11.2. Application de Hydrus 2D -----------------------------------------------------------------------------------118 11.2.1. Domaine modélisé et conditions initiales et aux limites-----------------------------------------------118 11.2.2. Paramétrage et calage du modèle, simulation des inondations artificielles -------------------------120 11.2.3. Simulation des événements naturels par Hydrus 2D et validation du modèle ----------------------121

11.3. Application pratique de la modalisation effectuée et tests des scénarios-----------------------------124

SYNTHESE ET CONCLUSION DE LA TROISIEME PARTIE ------------------------------------------------------------- 127

IV. CONCLUSION GENERALE ET PERSPECTIVES ------------ ---------------- 129

BIBLIOGRAPHIE -------------------------------------- ------------------------------------ 134

LISTE DES FIGURES---------------------------------------------------------------------- 146

LISTE DES TABLEAUX --------------------------------- --------------------------------- 148

ANNEXES------------------------------------------------------------------------------------- 149

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1

"A Nation that destroys its soil, destroys itself"

F.D. Roosevelt (1882-1945)

INTRODUCTION GENERALE

ans les pays méditerranéens semi-arides, les ressources en eau et en sol sont rares et

vulnérables. Le capital-sol est une ressource non renouvelable ou à renouvellement

extrêmement lent. Il est fortement menacé par la dégradation et l’érosion. L’érosion hydrique est très

sévère dans ces régions et surtout au sud de la Méditerranée. Elle est favorisée par l'agressivité du

climat, la nature des sols qui sont souvent jeunes, fragiles sur des versants raides, ainsi que par une

mise en culture ancienne et une pression démographique accrue dans la seconde moitié du 20ème siècle.

Dans ces conditions, l'érosion est reconnue pour avoir des effets néfastes sur l’environnement, par la

perte conséquente tant en sol qu'en matière organique. L'action érosive la plus visible est le ravinement

qui emporte entièrement de grandes quantités de terre arable et rend le travail des champs très difficile.

La forme ultime de l’érosion ravinaire est la formation de "badlands". Des mouvements en masses de

terres érodées forment des coulées boueuses sur les versants et viennent polluer les points d'eau dans

les vallées. Le transport par les cours d’eau, des sédiments provenant de l’érosion, provoque un

colmatage très rapide des retenues de barrages. D’où la nécessité accrue de prendre les mesures

nécessaires pour ralentir ce phénomène et pour assurer une gestion rationnelle des ressources en sols et

en eau.

Depuis les années 60, les pays du sud de la Méditerranée ont initié une politique volontariste

d’aménagement et de conservation des sols. Ainsi, plusieurs techniques anti-érosives ont été

introduites et vulgarisées sur les terres en pente. Certaines reprenant des pratiques traditionnelles en

les améliorant, d’autres s’inspirant de technologies développées en Europe ou aux Etats-Unis.

L'objectif étant de faire face aux problèmes de l'érosion et de la raréfaction de l'eau. Au fur et à mesure

de la mise en place d’aménagements antiérosifs sur de grandes surfaces, des interrogations sur leur

efficacité et leur durabilité ont émergé. Un important effort de recherche a été développé pour évaluer

l'efficience et les impacts environnementaux de ces aménagements.

Parmi les différents types d’aménagements anti érosifs celui des banquettes à rétention en

courbes de niveau est l’un des plus largement répandus dans les zones méditerranéennes semi-arides

d'Afrique de Nord. Ces banquettes sont des levées de terres édifiées perpendiculairement à la pente du

terrain pour intercepter et stocker les eaux de ruissellement, améliorer l’infiltration et réduire l’érosion.

Ainsi plus de 1,5 million d'hectares de terres agricoles ont été aménagés de cette manière dans

les trois pays du Maghreb. En Tunisie, cet aménagement représente la plus grande part de l’effort

D

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INTRODUCTION GENERALE

2

consenti pour lutter contre l’érosion et protéger les terres arables en pente (plus de 1 million hectares;

Nasri et al., 2006). Le type actuellement le plus répandu est la banquette mécanique de rétention totale.

Les techniques de construction et entretien de ces ouvrages sont bien documentées (Cherif et

al., 1995) cependant, les références sur leur fonctionnement et la détermination des facteurs contrôlant

leurs impacts dans le contexte méditerranéen semi-aride restent en nombre limité. En Tunisie, par

exemple, les connaissances actuelles sur ce fonctionnement, concernent essentiellement l’impact d’une

surface aménagée sur le ruissellement et le transport solide à l’échelle du bassin versant (Albergel et

al., 1998; Nasri et al., 2004). En revanche, les processus de ruissellement et d’érosion hydrique à

l’échelle de l'inter-banquettes et ses impacts sur le bilan en eau et en matières transportées, sont encore

peu étudiés. La connaissance de ces processus, est pourtant déterminante pour évaluer l’efficacité de

ce type d’infrastructure de conservation des eaux et des sols.

Notre travail de thèse s’inscrit dans cette démarche. Il consiste à étudier le fonctionnement

hydrologique des banquettes mécaniques à rétention totale suivant deux approches complémentaires.

La première est expérimentale et consiste à observer à l’échelle d'un espace inter-banquettes le

ruissellement, l’érosion et l'infiltration des eaux retenues. La deuxième est numérique et vise à

modéliser ces phénomènes et simuler le fonctionnement hydro-sédimentaire de cet aménagement.

Pour l’étude expérimentale, un site aménagé en banquettes a été sélectionné sur le bassin versant

d’El-Gouazine (Tunisie Centrale). Il est représentatif d’un système «culture - élevage» en zone semi-

aride. Deux modes d'occupation du sol fortement répandues dans la Dorsale Tunisienne sont testés : (i)

la jachère parcourue et pâturée, (ii) le sol travaillé (labour superficiel saisonnier ou cultures de

céréales).

Les principaux objectifs de l'approche expérimentale peuvent être énoncés comme suit :

� Comprendre le fonctionnement global de l’aménagement;

� Déterminer les facteurs contrôlant son impact;

� Déterminer des paramètres utiles à la modélisation proposée.

La modélisation que nous cherchons à mettre en œuvre vise à enchaîner un modèle de

ruissellement et d’érosion sur l’espace inter-banquettes à un modèle d’infiltration dans le canal et la

banquette. Elle a pour ambition de contribuer à l'évaluation de l’efficacité de l’aménagement en

banquettes, et de tester des scénarios d’aménagement.

Le compte-rendu de cette recherche est organisé en trois parties :

Dans la première partie, le premier chapitre décrit le contexte et la problématique de l'étude.

Le second chapitre présente une revue bibliographique des différents types de banquettes anti-

érosives. Enfin le troisième chapitre expose l'état de l'art sur la connaissance des banquettes en

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3

dressant un bilan des travaux disponibles sur cet aménagement. Il montre la nécessité d'analyser son

fonctionnement à l'échelle de l'aménagement et définit les démarches méthodologiques.

La deuxième partie présente l'approche expérimentale de notre étude; le quatrième chapitre

part des connaissances acquises sur le suivi de ruissellement et d’érosion pour concevoir un dispositif

adapté au suivi du fonctionnement d’un aménagement en banquettes à rétention totale. Le cinquième

chapitre présente le milieu de l'étude et ces caractéristiques : le bassin versant dans son ensemble, le

site expérimental et son équipement. Le sixième chapitre récapitule les observations faites durant deux

années de mesures 2004-2005 et 2005-2006. Enfin une synthèse de la partie récapitule les principaux

résultats fournis par le dispositif expérimental et les observations effectuées.

La troisième partie est dédiée à la modélisation proposée; le septième chapitre aborde

brièvement la modélisation des processus qui régissent le ruissellement et l’érosion hydrique sous

forme d’une recherche bibliographique. Le huitième chapitre est consacré à la conceptualisation des

processus mis en jeu à l'échelle de notre étude et au choix des modèles pour décrire le bilan hydro-

sédimentaire dans l'espace inter-banquettes. Les deux chapitres suivants traitent des expérimentations

complémentaires effectuées pour analyser des processus en jeu et déterminer des paramètres clés pour

la modélisation :

- les expériences menées dans l'impluvium pour caractériser l'infiltrabilité et la

susceptibilité à l'érosion.

- les expérimentations effectuées en vue de caractériser le canal de la banquette et sa

capacité d'infiltration.

Le onzième chapitre rapporte les étapes de la modélisation effectuée et présente les résultats

obtenus et les tests des scenarii effectués. Cette partie est conclue par une discussion sur les résultats

des expérimentations complémentaires réalisées et de la modélisation effectuée.

La conclusion générale reprend les principaux résultats et propose des perspectives pour la

poursuite et la valorisation de notre recherche.

Des annexes sont rapportées à la fin de ce mémoire. Elles comportent des informations et des

données jugées supplémentaires mais aussi nécessaires à la compréhension des concepts abordés et

des démarches mises en œuvre au sein du travail.

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PARTIE I. CADRE GENERAL DE L'ETUDE ET POSITION DU

PROBLEME

ans cette première partie, nous présentons le contexte général de notre étude afin de bien

appréhender les limites et les objectifs de ce travail. Le premier chapitre consiste à introduire

sommairement les enjeux de l'érosion hydrique en milieu méditerranéen semi-aride et la lutte anti-

érosive qui leur est inhérente. Dans le deuxième chapitre, on s’appuie essentiellement sur un ensemble

de connaissances bibliographiques pour définir quelques concepts liés aux banquettes anti-érosives

pour établir ainsi une typologie de cet aménagement. Le troisième chapitre propose un état de l'art

concernant la connaissance sur le fonctionnement des banquettes. A partir de cet état de l'art et des

deux chapitres précédents, découlent la formulation des objectifs de la thèse et les démarches

envisagées.

Chapitre 1. L'érosion des sols en milieu méditerranéen semi-aride et la

lutte anti-érosive

L'érosion du sol est un phénomène ancien et naturel causé par l'eau et le vent. Elle résulte de

processus complexes, dans lesquels interviennent de nombreuses variables contribuant à la perte du

sol. Deux principaux types de facteurs de l'érosion sont évoqués dans la littérature: les premiers sont

physiques et naturels (climat, couvert végétal, topographie et nature du sol); les seconds sont liés aux

activités humaines. Ces facteurs sont discutés pour le milieu méditerranéen en se focalisant sur

l’érosion hydrique qui est au cœur de notre sujet.

1.1. Facteurs physiques naturels

Le climat méditerranéen est caractérisé par des précipitations limitées et irrégulières, des

orages violents de courtes durées et de fortes intensités (Zahar, 1997). Il constitue, donc une source

d’énergie érosive notamment dans les zones semi-arides à cause de la vulnérabilité de ces zones

(Agoumi, 2003)

Ces zones sont caractérisées par une pluie annuelle entre 250 et 500 mm. Les mois d'été sont

en général chauds et secs avec des taux élevés de rayonnement solaire et d'évaporation.

Les sols dans le pourtour méditerranéen sont en majorité de texture sablonneuse ou limoneuse.

Ils sont pauvres en matière organique notamment au sud du bassin, à cause des températures élevées,

de leurs variations rapides et du manque d'eau. Ces conditions accélèrent la minéralisation des sols et

D

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Chapitre 1. L'érosion des sols en milieu méditerranéen semi-aride et la lutte anti-érosive

5

les rendent fragiles, faiblement structurés et prédisposés au tassement et à la formation de croûtes de

battance. En conséquence, ces sols sont très sensibles à l'érosion.

Les montagnes méditerranéennes sont profondément découpées, complexes, et partiellement

instables, avec de nombreux versants escarpés et des sols jeunes rocailleux peu profonds (Naveh &

Lieberman, 1984). Ces sols manifestent un rapport étroit avec la roche mère (Zinke, 1973). Les

versants sont donc très vulnérables à l'érosion en nappe et en ravine. Cette vulnérabilité augmente

quand le couvert végétal est détruit et la couche de sol peu profonde est exposée à la dessiccation

durant les étés secs et aux pluies torrentielles en hiver (Naveh & Lieberman, 1984). Les pentes sont

souvent très fortes. Même dans les nombreuses régions de moyenne montagne méditerranéenne dont

les altitudes restent modestes, les pentes sont fortes et les cours d'eau y ont des profils très tendus (Plan

bleu, 2003).

L'exposition joue également sur l’érosion des sols ; les pentes orientées plein sud, du fait de leur

couvert végétal moins dense, sont plus vulnérables à l'action érosive de l'eau.

1.2. Facteurs anthropiques

Au-delà des causes et processus naturels, certaines activités humaines et modes de

développement accélèrent le phénomène de l'érosion. Les milieux méditerranéens sont anthropisés

depuis longtemps: bien avant notre ère, Platon dans le Critias (IVème siècle av. JC.), dénonce l'érosion

des sols et l’appauvrissement des rivières et des sources imputables au déboisement de l'Attique, dans

la Grèce antique. Mais les dénaturations se sont accélérées au XXème siècle (PNUE / PAM / Plan Bleu,

2004).

Les pratiques qui favorisent l'érosion ont été largement abordées dans la littérature, les

principaux facteurs anthropiques dans le pourtour méditerranéen ont été définis comme étant :

1. La déforestation, qui favorise le ruissellement et accroît les risques d'inondations et les

risques de glissement de terrain. La FAO a établi que le taux moyen de déforestation des

10 dernières années dans le sud et l'est du bassin méditerranéen était de l'ordre de 1,1 %

contre 0,8 % pour la forêt tropicale mondiale, (PNUE - Plan bleu, 1997).

2. Le surpâturage qui provoque un tassement du sol, une diminution de sa perméabilité et un

accroissement du ruissellement et par conséquence la perte du sol. D'après Roose et Sabir

(2002) l'élevage extensif en montagne dans le pourtour méditerranéen s'est traduit par la

dégradation des couvertures végétales et des sols, l'encroûtement ou le décapage des

horizons humifères, le creusement des rigoles en ravines.

3. L’intensification de l’agriculture et de l’utilisation des sols qui entraînent une suppression

des éléments structurant le paysage, (retournement des prairies, agrandissement des

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PARTIE I. CADRE GENERAL DE L'ETUDE ET POSITION DU PROBLEM

6

parcelles…). Ce qui augmente le risque érosif et accélère les taux d’érosion par un facteur

allant de 10 à 100 (Meade et al., 1990).

4. L’abandon des terres, et en particulier de celles à faible rendement.

5. La croissance démographique, l’accroissement de l’urbanisation en aval des terres

cultivées qui augmentent la vulnérabilité aux phénomènes érosifs (Auzet, 1987; Le

Bissonnais et al., 1998).

Le couvert végétal est souvent réduit à cause de la dureté du climat et des actions

anthropiques, de ce fait il protège mal le sol (PNUE - plan Bleu, 2003). Les rythmes biologiques dans

ce milieu sont gouvernés autant par les températures que par les précipitations. C’est le seul climat au

monde où il y a une coïncidence entre la saison chaude et la sécheresse au moment où les plantes ont

le plus besoin d’eau (Jaurand & Volle, 2001).

Les pluies estivales et automnales interviennent avec des averses souvent intenses. En

automne 2001, 200 mm sont tombés en 3 heures à Montpellier. Ces fortes précipitations interviennent

au moment où le sol est nu et le couvert végétal est réduit et discontinu.

Ces spécificités climatiques et agricoles du milieu méditerranéen sont à l’origine

d’écoulements de surface rapides et intenses (Andrieux et al., 2003). Ce qui accélère les processus de

l'érosion hydrique. La conjugaison des facteurs physiques et anthropiques favorables à l’érosion

conduit à la formation des ravinements et des badlands sur les versants de roches meubles (Gallart et

al., 2002).

1.3. L'effet néfaste de l'érosion en milieu méditerranéen

Dans certaines parties de la Méditerranée, l'érosion est devenue irréversible et a même

quasiment cessé à certains endroits lorsque la roche mère a été mise à nu,... faute de sols à ronger! (La

Commission européenne, 1999).

Roose (1994) évalue la perte en terre qui serait équilibrée par la formation du sol par l'altération

des roches, entre 1 à 12 t/ha/an en fonction du climat, du type de roche et de l'épaisseur des sols. Cette

perte en sol a également été définie comme l'érosion qui ne provoquerait pas de baisse sensible de la

productivité des terres. La vitesse d’ablation est de 0,5 à 1 mm par an pour l’ensemble du bassin

méditerranéen (Jaurand & Volle, 2001).

L’érosion hydrique est la menace la plus grave pesant sur les sols méditerranéens : 31% des

terres subissent des pertes dues à l’érosion supérieures à 15 t/ha/an (AMI, 2000). Elle entraîne une

dégradation des sols et des terres cultivées. Puisque, l’activité agricole est d’une importance

économique majeure dans la plupart des pays méditerranéens, la conservation du potentiel agricole

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Chapitre 1. L'érosion des sols en milieu méditerranéen semi-aride et la lutte anti-érosive

7

méditerranéen constitue donc un enjeu pour le maintien de la structure sociale et économique des

sociétés (Plan bleu, 2003).

Cette érosion se traduit aussi par une réduction du potentiel de production, une réduction de la

qualité de l'eau de surface et l’envasement des barrages et des retenues des eaux en aval. Les

écosystèmes, la production et la sécurité alimentaire sont sévèrement affectés par les problèmes de

l'érosion.

Dans ce contexte, l'érosion hydrique constitue un facteur majeur de la dégradation des eaux et

du sol dans le milieu méditerranéen et surtout dans les zones semi-arides. L’enjeu dans ces zones est

de protéger les ressources naturelles et d’optimiser l'usage de l’eau et améliorer les rendements des

cultures. Les mesures et les techniques de conservation du sol qui y sont adoptées varient en fonction

du terrain, du type de sol et du choix de l'agriculteur.

1.4. L'aménagement anti-érosif en milieu méditerranéen

Depuis 7.000 ans, l'homme a accumulé les traces de sa lutte contre l'érosion et la dégradation

des sols, en vue d'améliorer la gestion de l'eau et la fertilité des sols, (Lowdermilk, 1953) cité par

Roose (1994). Différentes techniques ont été utilisées dans le milieu méditerranéen au fil du temps

pour conserver les sols contre l’érosion et mobiliser les eaux du ruissellement. Ces techniques ont été

développées par les populations en fonction de leurs besoins et de la disponibilité des moyens.

Aujourd’hui les techniques anti-érosives ont été normalisées et font partie des opérations

d’aménagement du territoire entreprises par les gouvernements. En Tunisie, par exemple, environ 2,4

millions d’hectares de terres ont été protégés contre l'érosion durant les trois dernières décennies du

vingtième siècle. Il s'agit de l’aménagement de 320 000 ha de forêts, de 433 000 ha de parcours

naturels; du reboisement d’environ 600 000 ha de terres dénudées; de fixation de 40 000 ha de dunes

mobiles et de l’aménagement de plus de 1 million d’hectares de terres en pente par une panoplie de

techniques de conservation des eaux et du sol (Hentati, 2000).

La stratégie d'équipement du milieu rural a été conçue pour répondre aux contraintes

spécifiques du milieu méditerranéen et semi-aride. Elle comporte deux principales catégories :

(i) Aménagements biologiques:

- Reboisements ou revégétalisation des versants et des sommets des montagnes; suivant

diverses techniques de l’agro-foresterie et réhabilitation des forêts dégradées.

- Réensemencements de graminées et d’herbacées pérennes.

- Cultures en bandes alternées et en courbes de niveau et des bandes enherbées (Boufaroua

& Yemna, 2002).

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PARTIE I. CADRE GENERAL DE L'ETUDE ET POSITION DU PROBLEM

8

- Encourager les clôtures en haies vives: qui sont généralement faites d'espèces épineuses

pour délimiter les parcelles et protéger les vergers contre les animaux. Les haies servent

aussi de barrière à l’érosion des sols, et jouent un rôle antiérosif important (Tribak, 2002).

(ii) Aménagements de génie rural :

- Construction des lacs et des barrages collinaires qui ont des capacités allant de quelques

dizaines de milliers à un million de mètres cubes d'eau (Albegel et al., 1998). En Tunisie,

plus de 500 petits barrages ont été construits dans la décennie 1991-2000 (Albergel &

Rejeb, 1997).

- Différentes techniques de récolte des eaux et de limitation du ruissellement sur les

versants "tabias et meskats" (Bonvallot, 1986; Alaya et al., 1993) ou dans le réseau

hydrographique "jessours" (Prinz, 1999; 2001; Prinz & Malik, 2002).

- Traitements des ravins.

- Terrassement et construction des banquettes (Nasri, 2002).

De plus en plus on préconise des aménagements mixtes comme la correction des torrents et

des rectifications de ravins. Cette pratique commence par la stabilisation et le rehaussement du fond à

l’aide de seuils légers. La végétalisation des dépôts de sédiments et des berges permet d'immobiliser

cette source d’érosion (Roose, 1991).

L'aménagement en banquettes anti-érosives apparaît comme le plus répandu dans différents

pays des zones semi-arides. En Tunisie plus d’un million hectares des terres agricoles ont été

aménagés avec des banquettes en courbes de niveau depuis les débuts des années 1960 (Nasri, 2002).

En Algérie plus de 300 000 hectares ont été aménagés en banquettes en 30 ans (Roose, 1994).

L'objectif principal a souvent été de ralentir l'envasement des barrages car le nombre de sites

favorables à la construction des réservoirs d'eau est limité. Au Maroc, 300 000 hectares ont été

aménagés en banquettes entre 1960 et 1990 dans cet unique objectif (Veyret et al., 1998).

On s’intéresse dans le prochain chapitre en particulier à l’aménagement en banquettes anti-

érosives.

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Chapitre 2. Les banquettes anti-érosives et leur succès récent

2.1. Concepts et définitions

• Les banquettes sont des levées de terres établies perpendiculairement à la pente du terrain

permettant d’intercepter et stocker les eaux de ruissellement, d’améliorer l’infiltration. Elles

sont destinées à réduire la longueur de la pente et par conséquent la vitesse de l’écoulement en

dessous du seuil critique qui produit l’érosion ravinaire.

Une banquette présente un bourrelet (talus) et un fossé (canal). La terre provenant du

creusement du fossé est déposée en formant le bourrelet de la banquette. Il y généralement toute une

série de banquettes, figure (I-1), disposées en travers de la pente (FAO, 1967).

Ph. Y. AlAli, 12/04

Fig. I-1. Une série des banquettes au bassin versant d'El Gouazine

• On appelle espace inter-banquettes, l’espace situé entre l'aval d'une banquette et l'amont de

la banquette suivante.

Le canal de la banquette agit comme un réservoir de stockage temporaire soumis aux taux

inégaux des apports de l’eau du ruissellement et des flux de sortie (Schwab et al., 1996).

2.1.1. Banquettes et terrasses

Le terme anglo-américan « terraces » englobe à la fois les terrasses, les banquettes et les

gradins (FAO, 1977). Cependant, en terminologie française, les terrasses concernent les ouvrages

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PARTIE I. CADRE GENERAL DE L'ETUDE ET POSITION DU PROBLEME

10

édifiés avec les pierres disposées généralement en escalier sur un versant raide. Nous montrons dans

l'annexe (I-A) quelques types des terrassements.

Le terme « banquettes » est utilisé ci-après pour décrire aussi des ouvrages qui peuvent être

associés aux banquettes comme les banquettes construites par un mélange de terres et de pierres

sèches. Ces banquettes ressemblent à des cordons en pierres.

2.2. Particularités des zones semi-arides à l'origine de l'aménagement

en banquettes

Dès le développement du ruissellement et le déclenchement de l’érosion en nappe, des

mesures doivent être prises pour limiter ces actions (Aubert, 1986). La diminution ou le freinage du

ruissellement en favorisant l’infiltration peuvent être obtenus par des méthodes biologiques, physiques

ou mécaniques. Lorsque la pluviométrie est médiocre comme c’est le cas dans les zones semi-arides,

les méthodes biologiques n'assurent pas la conservation des eaux et des sols sur pente. Elles peuvent

souvent se montrer des concurrentes aux cultures pour l’exploitation du stock d’eau disponible dans le

sol. Dans ces mêmes zones, le manque d’eau et la mauvaise distribution de la pluie sur la saison ne

permettent pas d’assurer tous les ans les cultures pluviales (Prinz & Singh, 2000). Des ouvrages sont

construits selon les courbes de niveau pour recueillir le ruissellement sur les versants ou le freiner au

dessous du seuil provoquant l’érosion en ravines. Les paysans ont mis des pierres en rangs sur les

versants et ont creusé le long des pentes pour couvrir ces pierres par le sol (Roose, 1994). Ces

procédés ont été développés au fil du temps après des années de pratiques et des expériences sur le

terrain. Ce développement a amené parmi d’autres formes de l’aménagement à l’édification des

banquettes anti-érosives.

2.3. Aperçu historique

Les banquettes ont été largement utilisées dans le passé comme manière de collecter l’eau et

permettre des productions végétales dans des zones très sèches. On connaît cette forme

d’aménagement depuis le début de notre ère au Yémen et en Ethiopie, et un peu plus tard en Afrique

du Nord (Algérie, Maroc et Tunisie) (Hudson, 1987). Le système des banquettes à des fins de

protections des sols se répand aux Etats-Unis au début du XXème siècle, dans le Texas, le Kansas, le

Nebraska et autres régions arides (FAO, 1967). Dans les pays du Maghreb, les premiers essais

paraissent remonter à 1925, cependant les travaux à grande échelle n’ont débuté que vers 1950

(Heusch, 1986).

En Tunisie, il y a plusieurs générations de banquettes; des banquettes ont été mises en place

entre 1962 à 1975 à Siliana, à Kairouan et à El Ala (Fauck et al., 1991). Les mêmes auteurs ont

constaté la persistance d’aménagements datant des années 1960 jusqu'à ce jour.

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Chapitre 2. Les banquettes anti-érosives et leur succès récent

11

2.4. Typologie

Les banquettes anti-érosives se différencient par leur forme, leur fonctionnalité et leur

équipement. Elles peuvent également être classées selon différents critères comme :

� Le mode et les techniques de construction; banquettes traditionnelles manuelles ou

banquettes mécaniques.

� La forme ou le profil en travers de la banquette; ce qui permet de différencier trois types

(Chaabi, 1988):

- les banquettes à profil amorti: édifiées sur des pentes inférieures à 10%. Elles sont

totalement franchissables par les engins et cultivables.

- les banquettes à profil normal ou ordinaire: construites sur des pentes comprises entre 10

et 25%. La forme de la section de fossé de la banquette varie en fonction de la pente. Sur

des pentes relativement faibles, cette forme est souvent triangulaire. Sur des pentes plus

fortes, le fossé présente une forme trapézoïdale pour éviter d’augmenter la pente naturelle

du terrain sur une grande emprise.

- les banquettes à profil en V ou gradin continu: sont construites sur des pentes supérieures

à 25%. Elles sont souvent édifiées sur des terrains des reboisements forestiers.

� La rétention de l’eau et la tendance à suivre les courbes de niveau ; selon ce critère, il est

possible de distinguer trois types principaux.

C’est ce dernier critère que nous avons choisi pour présenter une typologie des banquettes.

2.4.1. Banquettes d’écoulement à rétention nulle

Ce type de banquettes (figure I-2) permet de ralentir le ruissellement, de réduire le transport

solide et d’améliorer l’infiltration en évitant toute rétention d’eau. Il est utile dans le cas du sol peu

perméable où l’eau retenue pourrait retarder le travail du sol et endommager les plantes.

Pour assurer leur fonctionnement, les banquettes d’écoulement sont aménagées avec une pente

longitudinale du canal. Cette pente peut être uniforme ou variable. Elle est souvent uniforme pour des

banquettes d'une longueur inférieure à 150 m. Pour des banquettes plus longues, une pente

progressivement croissante jusqu’à l’exutoire est préférable pour assurer un écoulement régulier.

Généralement, elle est de l'ordre de 0,4 % (Cherif et al., 1995).

La vitesse admissible de l’écoulement dans le canal varie en fonction de la nature du sol.

Cherif et al., (1995) ont donné les valeurs suivantes de cette vitesse : 0,45 m/s pour des sols sableux,

0,65 m/s en sols limono-sableux et sablo-limoneux, 0,70 m/s pour des sols limoneux et argilo-

limoneux et 0,80 m/s pour des sols argileux.

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PARTIE I. CADRE GENERAL DE L'ETUDE ET POSITION DU PROBLEME

12

Ph. Y. AlAli, 12/04 Fig. I-2. Type des banquettes d’écoulement

2.4.2. Banquettes à rétention partielle

La construction de ce type de banquettes, figure I-3, est recommandée sur des sols qui ont

tendance à former une croûte en surface, dont les pentes dépassent les 6 % et où la pluie annuelle est

de 250 à 400 mm avec une intensité élevée (Cherif et al., 1995). La capacité d’absorption du sol est

donc insuffisante.

Ph. IRD Tunis 04

Fig. I-3. Type des banquettes à rétention partielle

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Chapitre 2. Les banquettes anti-érosives et leur succès récent

13

Des exutoires ou des déversoirs sont prévus pour ce type de banquettes afin d'évacuer le

surplus des eaux de ruissellement. Cet excès de l'eau est évacué vers une autre banquette en aval ou

vers un chemin naturel de l'eau. Le déversoir est implanté soit au milieu de la banquette ou à l'une de

ses extrémités. La hauteur du seuil du déversoir varie suivant les conditions climatiques et physiques

de la zone (Abdellaoui, 1994).

Les banquettes à rétention partielles se divisent d'ailleurs en plusieurs types:

2222....4444....2222....1111.... Les banquettes en terre à déversoirLes banquettes en terre à déversoirLes banquettes en terre à déversoirLes banquettes en terre à déversoir

Dans cette technique, on peut distinguer deux types de déversoirs, soit un déversoir en pierres

sèches (figure I-3), ou en pierres maçonnées en béton (figure I-4).

Ph. Y. AlAli, 4/05 Fig. I-4. Banquette à déversoir en pierres maçonnées en béton

2222....4444....2222....2222.... Les banquettes en terre à bout déversantLes banquettes en terre à bout déversantLes banquettes en terre à bout déversantLes banquettes en terre à bout déversant

Il s’agit des banquettes en terre pouvant atteindre jusqu’à 1-1,5m de haut. Elles empêchent le

ruissellement en nappe et obligent l’eau à s’écouler latéralement. Arrivée au bout de la banquette,

l’eau trouve un passage à l’une de ses extrémités. Ces banquettes suivent approximativement les

courbes de niveau et les extrémités sont orientées vers l’amont, mais une des extrémités est plus courte

que l’autre, de sorte qu’en cas de débordement, les eaux de ruissellement contournent l’extrémité la

plus courte. La longueur en amont de cette extrémité courte, détermine la profondeur de submersion,

en général d’une cinquantaine de cm (Ennabli, 1993).

L’utilité de cette technique est que le déversoir du trop plein est constitué par l'extrémité la

plus courte sans autre aménagement.

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PARTIE I. CADRE GENERAL DE L'ETUDE ET POSITION DU PROBLEME

14

Dans certaines régions, un tuyau (d'environ 30cm de diamètre) est placé au fond de la

banquette et en ce cas les deux extrémités auront la même longueur.

2222....4444....2222....3333.... Les banquettes en terre et pierres sèches Les banquettes en terre et pierres sèches Les banquettes en terre et pierres sèches Les banquettes en terre et pierres sèches

Il s’agit d’une technique traditionnelle très ancienne édifiée sur des pentes abruptes. Les

banquettes en terre sont des obstacles imperméables tandis qu'en pierres elles piègent les éléments

solides tout en laissant l’eau infiltrer après en avoir réduit l’énergie de ruissellement. Les banquettes

en pierres sèches comportent un damage de terre à l'amont des pierres pour imperméabiliser leur base

et éviter les trous d'eau. L'évacuation de l'excès d'eau exige un déversoir renforcé par de grosses

pierres.

Cette technique permet donc un certain amendement des sols de reliefs abrupts et le passage

linéaire de l’eau en direction de l’aval. Elle est répandue en Tunisie sur forte pente

(> 30 %). A Kasserine dans les vallons isolés du Djebel Selloum, il y a une structure intacte de ce type

de banquettes d’origine antérieure à l’époque romaine (Ennabli, 1993).

Ces ouvrages sont moins vulnérables que les autres types de banquettes. Mais ils ne sont

faisables économiquement que dans les zones ayant une charge importante en pierres.

La deuxième technique, (2.4.2.2), est plus simple et plus économique que les autres types de

banquettes à rétention partielle. Cependant, elle pose le problème de la protection de la tête de

l'extrémité courte jouant le rôle du trop-plein ou du bouchage du tronçon de tuyau.

2.4.3. Banquettes à rétention totale

Ces banquettes sont édifiées en suivant les courbes de niveau du terrain. Le canal amont n’a

pas de pente longitudinale ou celle-ci est très faible. La banquette est quelquefois fermée aux deux

extrémités pour garantir une rétention maximum de l'eau (Schwab et al., 1996). Le canal doit retenir

une pluie journalière de fréquence décennale (Schwab et al., 1996). Ce type de banquette est présenté

dans la figure (I-5).

Ces banquettes sont adéquates sur des sols à texture légère à moyenne (moins de 35 %

d’argile) avec une profondeur minimale de la couche supérieure de 1.5 m. La pente de terrain doit être

douce. La pluie annuelle est moyenne (300 à 400 mm) et de faible intensité.

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Chapitre 2. Les banquettes anti-érosives et leur succès récent

15

Ph. P. Zante, 10/05 Fig. I-5. Type de banquettes à rétention totale

D’après (Fauck et al., 1991), des banquettes de cette catégorie, réalisées en Tunisie depuis

1983, sont strictement en courbe de niveau, avec un canal en pente de 1‰. Elles ont une emprise de 7

m, une base de 3 m, une hauteur moyenne de 1,20 m, un canal de 0,50 m. il y a deux catégories :

confection manuelle ou mécanique. Il y a des hauteurs variables de 1 à 1,5 m. Les banquettes les plus

récentes faites par les entreprises sont les plus hautes. Elles sont adaptées aux pentes de 5 à 12% sur

sol suffisamment profond. Les banquettes basses étaient réservées dans le passé aux pentes faibles

(<8%). Dans certains cas, il y a des cloisonnements. Ces derniers barrent le canal tous les 20 mètres,

ce qui compense les méfaits d’une topographie irrégulière (Fauck et al., 1991).

2.5. L’espacement entre banquettes

L'espacement des banquettes en courbes de niveau est fonction du ruissellement et de la

capacité de l'infiltration dans le canal aval (Schwab et al., 1996). Il dépend aussi de la pente, de

l’intensité de pluie, du type du sol et de son occupation.

Les formules utilisées pour calculer l’écartement des banquettes en Afrique du Nord, celles de

Bugeat (in Schwab et al., 1996) et de Saccardy (1950), ne tiennent compte que de la pente du terrain et

sont simplifiées pour des raisons pratiques. D'après Heusch (1986) il n’existe aucune justification

théorique ou expérimentale de ces formules.

Aux Etats-Unis, parmi les autres critères utilisés pour calculer l’espacement des banquettes il y

a le nombre des rangées de cultures à considérer entre deux banquettes. La distance entre la banquette

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PARTIE I. CADRE GENERAL DE L'ETUDE ET POSITION DU PROBLEME

16

amont et celle en aval doit être divisible par le nombre des rangées qui peuvent être cultivées à l’aide

de l’équipement employé pour semer, labourer et récolter (FAO, 1967).

L’écartement entre deux banquettes successives (E), exprimé en mètre, est donné comme suit :

tP

HE = ............................................................................................ (I-1)

H est la dénivelée exprimée comme la distance verticale entre les canaux des banquettes successives,

donnée en mètres; tP est la pente du terrain en %

La dénivelée H est calculée par la formule de Bugeat selon l’expression suivante :

2,28 += tPH ................................................................................. (I-2)

Dans la formule de Saccardy, la dénivelée H, est donnée pour les pentes inférieures à 25 %

comme suit :

tPH 2603 = ................................................................................... (I-3)

Cette formule s’applique aux terres à texture moyenne, en éliminant les marnes qui se gorgent

d’eau et les terres sablonneuses (Nahal, 1975). Elle est établie pour un ruissellement produit par une

pluie de 180 mm/h pendant 30 minutes et un coefficient du ruissellement de 100%. (Lefay, 1986).

La formule de Saccardy est surtout utilisée en Algérie et au Maroc, cependant la formule de

Bugeat est utilisée en Tunisie (Roose, 1994).

Le calcul de l’écartement des banquettes est basé sur ces deux formules mais l’édification des

banquettes dans la pratique est souvent imposée par les irrégularités du terrain, les limites de propriété,

le réseau hydrographique ou par d’autres considérations.

2.6. Capacité de rétention et hauteur des banquettes

La rétention des eaux derrière une banquette dépend de ses dimensions et de la topographie du

terrain. Ces facteurs sont variables d'un aménagement à l'autre en fonction du site, de l'ancienneté de

l'ouvrage ou de son entretien, du type de banquette, manuelle ou mécanique. Dridi, (2000) a montré

que le volume réel d'eau que peut retenir une banquette est supérieur au volume géométrique de sa

retenue puisque dans la réalité, l'eau s'infiltre progressivement libérant ainsi un espace supplémentaire

pour les apports ultérieurs.

La méthode de calcul de la capacité de rétention des banquettes utilisée par la CES* tient

compte de l’intensité des pluies et de la pente des terrains. Cherif et al., (1995) ont présenté un abaque,

* Services de la Conservation des Eaux et des Sols en Tunisie

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Chapitre 2. Les banquettes anti-érosives et leur succès récent

17

(figure I-6), qui donne la hauteur utile de la banquette en fonction de la pente du terrain et de

l’intensité maximale des pluies de 24 h pour une période de retour de 10 ans.

Fig. I-6. Hauteur utile des banquettes en fonction de l’intensité de la pluie pour différentes

pentes du terrain (Cherif et al., 1995).

Cette hauteur utile est majorée de 20 % dans les réalisations des banquettes pour compenser

les tassements et de 0,30 m pour offrir plus de sécurité.

2.7. Confection des banquettes mécaniques

Les banquettes mécaniques récemment construites en Tunisie, suivent des normes bien

définies (Mtimet et al., 2003). Elles sont construites par des entreprises de travaux publics suivant les

courbes de niveau en adoptant la formule de Bugeat, avec une pente longitudinale comprise entre 1 à 5

‰.

Les végétations sont éliminées de l’emprise de la banquette pour obtenir une assise propre, ce

qui permet d’avoir un talus aussi imperméable que possible. Un talus perpendiculaire à la pente est

confectionné par l’apport de terre prise en creusant un canal en amont. On devrait aussi avoir une

meilleure cohésion entre le talus et le terrain naturel.

La hauteur du talus est environ 1,50 m, la largeur de sa grande base (l’emprise) est de 4,10 m,

les pentes du talus sont de 1/1 à l’amont et 1/2 à l’aval pour tenir compte de la pression de la lame

d’eau accumulée lors des crues. Le talus est compacté par le déplacement du bulldozer

longitudinalement à la banquette.

La finition des travaux comprend un tassement de la crête du talus pour lui donner une forme

trapézoïdale, le sous-solage du canal, l’aménagement des exutoires pour les trop-pleins. Ces exutoires

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PARTIE I. CADRE GENERAL DE L'ETUDE ET POSITION DU PROBLEME

18

sont confectionnés en bout de talus si ceux-ci ont une longueur inférieure à 100 m ou par des

ouvertures aménagées tous les 100 m.

En conséquence, la banquette réalisée a les dimensions suivantes (figure I-7) :

1,20 m

5,90 m

0,5 m

4,10 m

C 1/2

B

A

Fig. I-7. Profil d'une banquette, montrant ses dimensions ainsi que la pente originale du terrain

(A), le canal de la banquette (B) et le talus (C).

L'implantation d’un réseau de banquettes sur un versant commence de l'amont vers l'aval. Elle

comprend plusieurs étapes qui sont rapportées avec la technique de construction dans l'annexe (I-A).

2.8. Durée de vie des banquettes

Les banquettes sont calculées pour une durée de vie de 10 années (période de retour

climatique), ce qui semble très théorique, le même système s’appliquant à tous les types de climat.

D’après Fauck et al., (1991) : 16,8% des banquettes mises en place en Tunisie entre 1962 à 1975, ont

entièrement disparu et 44% présentent des dégâts de 25 à 50%.

Le type du sol et ses qualités mécaniques jouent un rôle très important sur l’état des

banquettes. Roose (2002) a montré que les banquettes sur sols sablonneux sont plus fragiles et souvent

dégradées. Les sols limono-sableux manquent de cohésion, ceux qui sont chargés en argile (cas des

marnes) ont tendance à glisser (Cherif et al., 1995). Au Maroc, sur les versants marneux du Prérif, 50

% des réseaux de banquettes sont endommagés dès que la pente dépasse 25% (Robert, 1970). Leur

destruction se produit surtout lors des pluies qui entraînent un remplissage complet de leurs canaux

pendant plusieurs jours consécutifs.

La dégradation des banquettes et les possibilités de rupture sont aggravées lorsque les sols sont

peu profonds et lors de la mauvaise confection des ouvrages.

Malgré les expériences négatives de la construction des banquettes sur sol marneux, il y a des

sites récemment aménagés en banquettes sur des sols chargés en marnes. Le cas du bassin versant de

Dkékira dans le Kairouanais, en est un exemple (figure I-8).

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Chapitre 2. Les banquettes anti-érosives et leur succès récent

19

Ph. Y. AlAli, 4/05

Fig. I-8. Banquettes construites sur marnes au bassin versant de Dkékira

Dans ce même bassin versant, il y a des banquettes édifiées sur des sols peu profonds à tel

point qu'on voit la roche mère, (figure I-9).

L’installation de banquettes dans des conditions de sol défavorables peut s’expliquer par des

objectifs de prévention de crue ou de protection d’ouvrages collinaires contre l’envasement. Ces

aménagements vont nécessiter une surveillance après chaque pluie importante et des entretiens

particuliers.

Ph. Y. AlAli, 4/05

Fig. I-9. Banquette construite sur sol peu profond à Dkékira

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PARTIE I. CADRE GENERAL DE L'ETUDE ET POSITION DU PROBLEME

20

L'état des banquettes est, d’autre part, fonction de leur âge et de leur entretien (Dridi, 2000).

Les banquettes subissent souvent un tassement ou une dégradation (des brèches, des trous). Ces

dégradations sont dues principalement à deux types de facteurs :

1) Anthropiques : il s’agit de tassement et de dégradations dus au passage d’animaux, de

matériel agricole, au surpâturage de ces aménagements qui concentrent l’eau et souvent

l’herbe.

2) Naturelles : les ruptures suite aux pluies exceptionnelles sont les dégâts les plus

importants. Ce fut le cas dans le sud de la Tunisie lors des pluies exceptionnelles de 1969.

D'après Heusch (1986), lorsque les pluies durent plusieurs jours, saturant complètement

les sols, le ruissellement hypodermique affleure au fond du fossé de la banquette et se

maintient. Dans ces conditions, la banquette de rétention se comporte comme un barrage

en terre sans déversoir aménagé : il y a rupture au point de faiblesse.

D'après le même auteur, les processus de la destruction s’effectuent selon plusieurs formes : (i)

soit par infiltration et soutirage dans les formations gypso-salines; (ii) soit par débordement au point le

plus bas; (iii) soit encore par des renards exploitant les galeries d’animaux fouisseurs, (figure I-10),

qui affectionnent les terres fraîchement remuées du bourrelet. Ensuite la banquette collecte les eaux du

ruissellement diffus, généralement inoffensif, et les concentre en provoquant des entailles linéaires.

Ph. Y. AlAli, 7/04 Fig. I-10. Trous creusés par des rats dans le talus d'une banquette à El Gouazine

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Chapitre 2. Les banquettes anti-érosives et leur succès récent

21

2.9. L’entretien des banquettes

Les banquettes peuvent durer plus longtemps si les paysans participent réellement aux travaux

annuels de réparation nécessaires avant le début de la saison des pluies. Parmi ces travaux, on note

l’entretien des déversoirs et la réparation des fissures et des galeries avant que les dégâts ne deviennent

importants. D’après Cherif et al., (1995), les cassures doivent être réparées par :

- Elargissement de la section cassée pour briser les parois verticales de la cassure qui ne

doivent pas excéder une pente de 1/1.

- Remblayage par couches soigneusement compactées de terre bien texturée.

Lorsque la cassure est due à la mauvaise qualité du sol, il faut apporter des sols de bonne

qualité. Les exutoires des banquettes doivent être bien protégés par des ouvrages régulateurs édifiés

par des plantes ou des pierres.

Les banquettes consolidées par les végétations restent en bon état car ce système représente un

milieu écologique relativement équilibré. Des plantations de cactus inerme par exemple protègent les

banquettes contre les intempéries, le passage des animaux et des matériels. Elles permettent une

stabilisation importante des sols.

2.10. Inconvénients du système des banquettes

La construction des banquettes entraîne une perte en terre pour les agriculteurs équivalente à la

surface du canal et du talus. D'après Heusch (1986), certains paysans en Algérie ont refusé le système

des banquettes, qui leur a fait perdre 10 à 20 % de surface cultivable sans améliorer significativement

la productivité des terres.

Au point de vue économique, la construction de banquettes sur des terres cultivées ne se

justifie pas lorsque d’autres techniques de conservation du sol moins coûteuses sont possibles.

D'ailleurs, cet aménagement se heurte souvent à des problèmes d’acceptation de la part des

paysans, parce que la construction d’un système de banquettes ne tient pas compte des limites des

propriétés et crée ainsi des problèmes entre voisins (Alaya et al., 1993).

Un autre inconvénient plus particulier est observé en Tunisie lors de l'aménagement en

banquettes à rétention totale de certains bassins versants. Ces bassins étaient déjà aménagés en lacs

collinaires à l'exutoire. L'introduction des banquettes sur leurs versants en amont a produit une baisse

de l'envasement des lacs en aval, mais aussi de leur remplissage en eau (Nasri et al., 2002).

En résumé, les banquettes constituent l'un des moyens de luttes contre l'érosion, à utiliser dans

les conditions suivantes : (i) sur des versants non marneux et possédant des sols assez profonds et avec

une pente inférieure à 25%; (ii) lorsque les précipitations sont brèves et très intenses (Heusch, 1986).

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PARTIE I. CADRE GENERAL DE L'ETUDE ET POSITION DU PROBLEME

22

Dans ces conditions les banquettes peuvent être utilisées sous réserve qu'elles soient construites selon

les normes, acceptées par la population locale et régulièrement entretenues.

Suite à cette revue sur les différents types des banquettes, nous abordons dans le chapitre

suivant l'état de connaissance sur le fonctionnement et l'impact de ce type d'aménagement.

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Chapitre 3. Connaissances actuelles sur le fonctionnement des

banquettes et objectifs du travail engagé

3.1. Travaux antérieurs sur le fonctionnement hydrologique des

banquettes

Les techniques de construction et entretien des banquettes sont bien documentées. En Tunisie

par exemple, les services techniques de la conservation des eaux et des sols ont acquis au cours des

dernières décennies un important savoir faire sur la construction, la consolidation et l’entretien de ce

type d’aménagement (Cherif et al., 1995). En revanche, très peu de travaux sont disponibles sur le

fonctionnement hydrologique et sur les impacts réels de ces banquettes sur le bilan en eau et en

matières transportées en Afrique du Nord ou au Moyen Orient. A l’échelle du bassin versant

élémentaire, quelques travaux ont montré l’impact des surfaces traitées, sur la ressource en eau et le

transport solide. En effet, lorsque les banquettes occupent 40% des versants, on constate une nette

diminution des débits liquides et solides à l’exutoire (Albergel et al., 1998; Nasri et al., 2004). Il existe

peu de références sur le fonctionnement hydro sédimentaire de l’aménagement en banquettes à

l’échelle du versant ou celle de l'aménagement lui-même. Les quelques travaux disponibles sur ce

fonctionnement concernent d’autres climats comme le climat subtropical en Australie (Freebairn &

Wockner, 1986) et d’autres types de banquettes: banquettes terrassées en Inde (Sharda & Samra, 2002)

et celles des périmètres rizicoles montagneux en Indonésie (Dijk, 2002). Tandis qu’en Afrique du

Nord, la banquette mécanique à rétention totale est très répandue. En Tunisie particulièrement, ce type

de banquette est le plus courant.

En général, on peut distinguer deux types d'études sur les banquettes dans la littérature :

(i)- Etudes qualitatives ou descriptives : elles ne sont pas fondées sur des suivis ou des

expérimentations scientifiques, mais elles décrivent l'état de ce type d'aménagement. Ces études

présentent parfois des avis contradictoires. De ce type, on peut citer les travaux suivants:

� Une étude menée par la FAO, (1967) montre que le rôle positif des banquettes n’est pas limité

aux régions semi-arides où la pluie est de forte intensité et de courte durée. Elles seraient

également utiles dans les régions où les pluies sont faibles ou mal réparties. Elles serviraient à

faire pénétrer davantage d’eau dans le sol ainsi qu’à prévenir l’érosion provoquée par les

pluies violentes.

� Les observations d'Aubert (1975) en Algérie, montrent que les meilleurs résultats

d'aménagement en banquettes ont été obtenus sur des sols suffisamment profonds formés sur

calcaire friable, plus ou moins sableux, ou crayeux.

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PARTIE I. CADRE GENERAL DE L'ETUDE ET POSITION DU PROBLEME

24

� Heusch (1986) fait le point sur les aménagements en banquettes dans les trois pays du

Maghreb : Maroc, Algérie et Tunisie. Il montre que leur efficacité ne paraît optimale que dans

les régions où les pluies sont peu fréquentes, brèves et très intenses survenant sur un sol sec et

peu perméable.

� Roose (1986) montre que les banquettes réduisent les risques de voir se développer une

érosion linéaire ravinante en limitant la longueur de pente, mais elles n’arrêtent pas la battance

des pluies ni la dégradation des sols cultivés inter-banquettes.

� Roose (1991) indique que l'efficacité réelle des banquettes reste à démontrer car leur usage est

remis en cause dans les pays en développement par les chercheurs et les praticiens. Cette mise

en cause est liée à des raisons pratiques (perte de terrain, coût élevé, difficulté à la mise en

place et à l’entretien) et de fiabilité (ruptures et ravinement lors des averses exceptionnelles).

� Fauck et al., (1991), ont montré que le seul examen de banquettes récemment construites en

Tunisie ne permet pas de prévoir leur impact sur le ruissellement sauf si on se trouve sous une

averse de forte intensité. Par contre, les mêmes auteurs ont noté l'efficacité des banquettes

anciennes qui ont permis la cicatrisation de ravines pré existantes à leur installation. Cette

cicatrisation se maintient malgré la sédimentation quasi complète des canaux pré-banquettes et

de la disparition des bourrelets de terre.

(ii)- Etudes quantitatives qui s'appuient sur des analyses et des mesures expérimentales. On

peut citer parmi ces études les travaux suivants concernant la Tunisie :

� Une étude sur l’impact des travaux de CES en Tunisie, menée par Laajili Ghezal, (1988) a

montré que les banquettes contribuent à limiter le ruissellement de 85 à 95%, ainsi qu’à

écrêter le débit de pointe dans le même ordre de grandeur

� L’évaluation de l’apport sur les banquettes dans les basins versants de Siliana et du Kef en

Tunisie effectuée par Mechergui (2000) qui a montré qu’elles améliorent le stock d’eau de

plus de 20 % et diminuent l’érosion de 17.8 %.

� D'après Mansouri (2001), les suivis par bathymétrie de l’envasement du barrage en aval du

bassin versant d’El-Gouazine montrent une réduction spectaculaire des transports solides

(figure I-11).

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Chapitre 3. Connaissances actuelles sur le fonctionnement des banquettes et objectifs du travail

25

Bassin versant El Gouazine

200

400

600

800

1000

1200

1400

juin-93 oct-94 févr-96 juil-97 nov-98

Cot

e du

lac

(cm

)0

30

60

90

120

150

180

Pluie (m

m)

Digue

Seuil

Vase

Avant aménagement

Après aménagement

Fig. I-11. Evolution de la sédimentation du barrage (in Mansouri 2001)

[On remarque une diminution sensible de l’envasement (courbe marron) comme du remplissage en eau du barrage (courbe bleu foncée) après l’aménagement].

� Une étude menée par Nasri (2002) sur l'mpact des banquettes sur le ruissellement du bassin

versant d’El-Gouazine (18 km²) a montré que le coefficient de ruissellement global du bassin

versant était de l’ordre de 7 à 8% pour les hauteurs de pluie inférieures à 20 mm et compris

entre 20 et 30% pour les hauteurs de pluie supérieures à 20 mm avant l’aménagement en

banquettes. Cependant, après l’aménagement, les pluies enregistrées n’ont engendré que de

faibles lames ruisselées : Ainsi une pluie de fréquence décennale, a engendré un ruissellement

4 fois plus faible après l’aménagement en banquettes, un débit maximum 8 fois plus faible et

un temps de réponse 4 fois plus fort. L'auteur a conclu qu’un bassin versant aménagé en

banquettes voit son coefficient de ruissellement considérablement réduit. Ce système

d'aménagement permet d’écrêter les crues en évitant des apports d’eau massifs et inutiles dans

des retenues collinaires. Il permet également de réduire considérablement l’envasement des

petites retenues.

� Selon Dridi et al., (2000) cité par Roose (2002), dans le bassin Merguellil (1200 km²), pour

une surface couverte par banquettes de 17%, le coefficient de ruissellement lors des plus

grosses averses est de 30 à 40%. La réduction du ruissellement atteint 17% et la réduction des

transports solides dépasse 40%.

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PARTIE I. CADRE GENERAL DE L'ETUDE ET POSITION DU PROBLEME

26

3.2. Positionnement de la problématique de recherche, objectifs de la

thèse et les démarches envisagées

A la lumière de la synthèse bibliographique présentée, on peut aboutir aux quelques

principales conclusions suivantes :

1) Dans les zones méditerranéennes et particulièrement dans les régions arides et semi-arides, les

problèmes d’érosion des terres cultivées sont très aigus. Ce phénomène constitue un facteur

majeur de dégradation des eaux et des sols.

2) Dans ces zones, la disponibilité en eau tend à être le facteur critique qui détermine les

systèmes de production, la répartition et la rotation des terres de parcours et celles de cultures.

3) L'aménagement en banquettes anti-érosives est la pratique la plus répandue dans la lutte contre

l'érosion hydrique de sol dans ces zones et particulièrement en Tunisie.

4) Les banquettes à rétention totale figurent parmi les aménagements les plus adaptés au climat

semi-aride pour faire face au déficit pluviométrique et améliorer les réserves en eaux de

surface (ceci est aussi noté par Dridi, 2000).

5) Très peu de travaux sont disponibles sur le fonctionnement hydrologique et sur les impacts

environnementaux de l'aménagement en banquettes. Par ailleurs, les processus de genèse du

ruissellement et de l'érosion hydrique à l’échelle de l’espace inter-banquettes restent mal

connus. La connaissance de ces processus, est pourtant déterminante pour évaluer le

fonctionnement, l’efficacité et l'impact environnemental de ce type d’infrastructure de

conservation des eaux et des sols.

Notre travail de thèse s’inscrit dans cette démarche. Il consiste à étudier le fonctionnement

hydrologique des banquettes mécaniques à rétention totale suivant deux approches complémentaires.

La première est expérimentale et consiste à observer le ruissellement et l’érosion à l’échelle d’un

aménagement représentatif en banquette. La deuxième est numérique et vise à une modélisation

mécaniste du ruissellement et de l'érosion dans l'espace inter-banquettes et de l'infiltration dans le

canal en aval de cet espace.

L'objectif finalisé de la thèse est d'avoir les éléments sur le fonctionnement physique de cet

aménagement. Cette étude devrait aboutir avec d'autres études du fonctionnement socioéconomique de

ces ouvrages à l’analyse et à l’évaluation de travaux d’aménagement entrepris à grande échelle et

manquant encore d’une base scientifique.

A cet effet, un site expérimental aménagé en banquettes a été sélectionné sur le bassin versant

d’El-Gouazine (Tunisie Centrale). Il est représentatif d’un système «culture– élevage» en zone semi-

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Chapitre 3. Connaissances actuelles sur le fonctionnement des banquettes et objectifs du travail

27

aride. Deux types d’occupation du sol sont testés: la jachère parcourue et le sol travaillé (culture de

céréale ou labour).

L’approche expérimentale de notre étude sera présentée dans la partie suivante de ce mémoire.

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PARTIE II. APPROCHE EXPERIMENTALE

ette partie présente l’expérimentation mise en place pour le suivi fin et la modélisation du

fonctionnement hydro-sédimentaire d’un aménagement en banquettes à rétention totale. Dans le

quatrième chapitre, nous partons des connaissances acquises sur les processus de ruissellement et

d’érosion ainsi que des dispositifs classiques de suivi de ces processus pour mettre en place un

dispositif adapté au suivi du fonctionnement d’un aménagement en banquettes à rétention totale. Le

cinquième chapitre décrit le bassin versant et le site expérimental choisi ainsi que son équipement. Le

sixième chapitre récapitule les observations faites durant deux campagnes agricoles 2004-2005 et

2005-2006 et en fait l’analyse en vue de modéliser le fonctionnement du versant aménagé. Enfin une

synthèse de la partie récapitule les principaux résultats des observations et les conclusions sur le

fonctionnement global de l'aménagement.

Chapitre 4. Processus du ruissellement et de l'érosion, méthode du suivi

à l’échelle de l'inter-banquettes

Ce chapitre propose une mise au point des méthodes et des dispositifs classiques

d’observation du ruissellement et de l’érosion afin de définir une stratégie pour observer le

fonctionnement hydro-sédimentaire d’un aménagement en banquettes à rétention totale. Le

dispositif expérimental conçu sera présenté avec le site d'étude dans le chapitre suivant.

4.1. Généralité sur les processus du ruissellement et de l'érosion /

dépôts

Le ruissellement est le premier moteur de l’érosion. La production du ruissellement sur un

versant est expliquée selon deux hypothèses :

(i) Ruissellement par dépassement de la capacité d’infiltration ou ruissellement hortonien: Il

consiste (Horton, 1933) en une partition de la pluie entre infiltration et ruissellement de

surface. Le ruissellement apparaît sur le sol suite à la saturation de sa surface. Cette saturation

est vite atteinte en début de pluie, puis toute la partie de l’averse dont l’intensité dépasse la

conductivité hydraulique à saturation des premiers millimètres du sol ruisselle. L’intensité de

ruissellement est alors égale à l’intensité de la pluie diminuée de la conductivité hydraulique à

saturation de la surface du sol. Ce processus est dominant dans les zones arides et semi-arides

(Séguis et al., 2002; Albergel et al., 2003).

C

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Chapitre 4. Processus du ruissellement et de l'érosion, méthode du suivi à l’échelle de l'inter-banquettes

29

(ii) Ruissellement par zones contributives (Beven & Kirkby, 1979): Le ruissellement sur surface

saturée se produit dans les zones d’affleurement de nappe. La nappe affleure généralement de

part et d’autre des ruisseaux et des rivières. Lorsqu’il pleut sur ces zones d’affleurement la

pluie ne peut pas s’infiltrer et ruisselle directement à la rivière. Ces zones d’affleurement de

nappe sont aussi appelées zones humides de bas fonds, zones humides ripariennes, ou zones

contributives à surface variable. En effet leur surface varie au cours du temps en fonction de

l’état hydrique du bassin versant (Haque, 2002).

Les particules de terre détachées sous l’effet de l’eau, des pluies ou du ruissellement, sont

transportées sur des distances qui dépendent essentiellement de leurs dimensions, de leurs densités et

de leurs formes, ainsi que de la vitesse de l’eau de ruissellement (FAO, 1967).

Nouvelot (1992) distingue la sédimentation qui est le processus suivant lequel les matériaux

en suspension dans l’eau se déposent et l’alluvionnement qui est le processus qui provoque le

remplissage ou l’exhaussement du fond du lit d’un cours d’eau ou d’une retenue artificielle par dépôt

de matériaux transportés par l’eau en suspension ou en charriage. La charge en suspension consiste

principalement en matériaux fins et surtout en argile. Les matériaux grossiers comme le sable sont

transportés en charriage.

La nature des matériaux transportés dépend en grande partie des sources de sédiments (FAO,

1967). Si la source principale de sédiments est due à l’érosion en nappe, les matériaux auront des

textures fines et se déplaceront en suspension. En revanche, si l’érosion en ravines est prononcée, les

particules déposées seront de texture grossière.

4.2. Les précipitations et la genèse de l’érosion hydrique

L’impact des précipitations sur l’érosion se manifeste soit par l’effet direct des gouttes de

pluie sur les particules du sol, soit sous l’effet de la lame d’eau ruisselée. L’énergie de la pluie dépend

de son intensité, le diamètre des gouttes de pluie et des dimensions des agrégats du sol ainsi que de

leur stabilité (Auzet, 1987; Le Bissonnais, 1996; Salles et al., 2000).

En effet, la pluie provoque un tassement de la surface du sol. Quand l’intensité de la pluie

excède un certain seuil, elle provoque le détachement et le déplacement des particules du sol, c’est

l’érosion de rejaillissement ou de splash (Nouvelot, 1992; Benkhadra, 1997). L'impact des gouttes de

pluie peut briser les agrégats et disperser les particules de sol surtout les particules les plus fines qui

peuvent facilement être emportées en aval par l’eau en conduisant à la fermeture progressive des pores

et à la réduction de la perméabilité du sol (Le Bissonnais, 1996). En conséquence, on observe un

enrichissement progressif en argile de l'horizon de surface du sol sur le versant et par conséquent une

diminution de l'infiltrabilité intrinsèque (Séguis et al., 2002). Les particules se déposent alors en

couches stratifiées renforçant l’imperméabilisation du sol. Lors de la formation de telles structures, ce

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PARTIE II. APPROCHE EXPERIMENTALE

30

n’est pas la conductivité hydraulique du sol qui constitue la limite à l’infiltration mais celle de la

couche de surface (Cosandey, 1990).

Même si l'érosion causée par des pluies de faible intensité et de longue durée n'est pas aussi

spectaculaire ni aussi visible que celle produite par les orages, la perte de sol occasionnée peut être

significative sur un long pas de temps (Arnold et al., 1989). Zahar (1997) a défini le concept

d’épisodes érosifs comme étant la susceptibilité des pluies à éroder un sol en fonction de leur intensité,

longueur et répétitivité (l’association de plusieurs averses successives d’un même épisode pouvant être

la cause d’une forte érosion).

Durant les épisodes érosifs, le ruissellement par dépassement de la capacité d’infiltration, et

l'érosion diffuse qui l’accompagne, sont contrôlés par trois principaux mécanismes (Gascuel; source

électronique*) :

a) la dégradation des états de surface du sol, plus ou moins rapide, et qui conduit à une

diminution de l'infiltrabilité des sols;

b) la connectivité des écoulements, contrôlée par le microrelief à l’échelle locale (Darboux,

1999), ou par la topographie et les aménagements à l’échelle du versant (Tortrat, 2005);

c) l’état hydrique des sols, proche de la saturation en période hivernale, dans les bas fonds et

les versants selon la dynamique de la nappe (Cros-Cayot, 1996).

4.3. Influence de l'état de surface

La surface du sol et sa couverture plus ou moins dense sont les premiers obstacles interceptant

les gouttes de pluie et sont, pour une intensité de pluie donnée, à l'origine de la répartition des

précipitations entre infiltration et ruissellement et des phénomènes d’érosion qui s’ensuivent. Lors

d'orages de courte durée et de forte intensité, des gouttes de pluie plus fortes (dissipant plus d'énergie)

causent la destruction de la structure du sol en surface et la dispersion des agrégats. Ceci provoque la

formation de la croûte de battance surtout des sols limoneux (Boiffin, 1984). Ces croûtes se

développent d’autant plus que la végétation est rare et ne protège pas les sols de la pluie.

En effet, les produits de dispersion, et surtout l’argile, sont lessivés et entraînés dans les vides

de la surface. Ils forment une pellicule sur la surface du sol. Des croûtes de diverses natures peuvent se

développer à la surface d’un sol nu, sous l’action des cycles de pluie et de dessèchement, (Le

Bissonnais, 1990), et modifient fortement ses propriétés physiques.

* (Gascuel, http://www.rennes.inra.fr/umrsas/c_mc3ax4.htm).

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Chapitre 4. Processus du ruissellement et de l'érosion, méthode du suivi à l’échelle de l'inter-banquettes

31

Cerdan (2001) a distingué deux tendances combinées liées à la disponibilité en particules à la

surface du sol :

i La charge solide a tendance à diminuer au cours d’un événement pluvieux au fur et à

mesure que les fragments et particules facilement mobilisables sont évacués.

ii La quantité de particules mobilisables diminue également d’un événement pluvieux à

l’autre, avec le développement d’une croûte de battance et l’atténuation de la rugosité.

Cependant, il y a une interaction entre la surface du sol et les processus érosifs, puisque les

flux de particules générés par ces processus viennent modifier la surface. Cette réorganisation des

premiers millimètres du sol conduit à la fermeture de la surface. Ce processus entraîne généralement la

formation d’un ruissellement de type hortonien (Leguédois, 2003).

4.4. Les parcelles de mesure du ruissellement et de l'érosion

Ces parcelles sont utilisées pour quantifier le ruissellement de surface dans des conditions

contrôlées sous pluies naturelle ou simulée. Leurs caractéristiques physiques, comme le type de sol, la

pente et la végétation doivent être représentatives des sites d’étude. Deux types de parcelles sont

largement utilisés:

1) Les placettes de 1m², utilisées sous pluie naturelle ou sous pluie artificielle (simulateur de

pluie). Elles sont utilisées pour déterminer les paramètres hydro physiques des sols

(infiltrabilité) (Lafforgue, 1978). Elles permettent aussi d’appréhender l’érodibilité des sols et

d’accéder aux paramètres des équations décrivant la détachabilité des particules. Elles sont

matérialisées par des cadres métalliques que l’on enfonce dans le sol. Le côté aval est muni

d’une rangée de trous permettant l’écoulement du ruissellement qui est récupéré et mesuré. La

mesure du ruissellement se fait par l’enregistrement des volumes ruisselés récupérés à l’aval

de la parcelle. Des prélèvements réguliers permettent l’observation de la charge solide. La

photo de la figure (II-1) montre de telles parcelles installées sur notre site expérimental. Ces

parcelles sont largement utilisées sous simulation de pluie pour analyser les effets des états de

surface sur le ruissellement (Collinet, 1985; Albergel, 1987; Casenave et Valentin, 1989,

Andrieux et al., 2001) ou pour étudier l’érodibilité des sols (Collinet & Lafforgue, 1979;

Snelder & Bryan, 1995; Le Bissonnais et al., 1990). Avec une longueur de 2m, le même type

de parcelle à bord métallique a été utilisé sous pluie naturelle pour des bilans locaux du

ruissellement et de l’infiltration (Mekki, 2003).

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PARTIE II. APPROCHE EXPERIMENTALE

32

Limnigraphe

Placette de 1 m²

Prélèvement

Ph. Y. ALALI, 6/04

Fig. II-1. Parcelle de mesure du ruissellement et du transport solide sur 1m², installée sur notre

site expérimental

2) Les parcelles de Wischmeier (Wischmeier & Smith, 1978), d’une dimension standard de 22 m

sur 4 m et sur une pente de 9%. Elles ont été installées en grand nombre d’abord aux USA

puis partout dans le monde en vue d’une analyse statistique des processus d’érosion et la

détermination des paramètres de l’équation universelle des pertes en terre (Roose, 1994).

Pour étudier l’effet de pratiques anti-érosives, l’équation universelle de pertes en terre a

introduit le facteur "pratiques antiérosives" (P) qui est le rapport entre les pertes en terre sur un champ

aménagé et celles d'une parcelle de taille voisine non aménagée ou encore de la parcelle de référence.

Les parcelles d'érosion de petite taille (100 à 200 m2) sont généralement mal adaptées à l'étude des

pratiques antiérosives : il faudrait effectuer des comparaisons sur de petits bassins versants d'une

superficie d'un ha environ. (Wischmeier et al., 1958; Masson, 1971; Roose & Bertrand, 1971;

Delwaulle 1973; Roose, 1973 et 1976; Le Bissonnais et al. 1996).

4.5. Méthodes de suivi et d’analyse du bilan hydro-sédimentaire à

l’échelle d’aménagements en banquettes représentatifs

A partir des données bibliographiques présentées ci-dessus nous avons conçu un dispositif

d’observations s’inspirant de la parcelle d’érosion mais adapté à l’aménagement qui nous intéresse :

les banquettes à rétention totale. Nous avons choisi un compromis entre la petite parcelle de

Wishmeier qui n’est pas adaptée pour étudier ce type d’aménagement et le petit bassin versant de1 ha

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Chapitre 4. Processus du ruissellement et de l'érosion, méthode du suivi à l’échelle de l'inter-banquettes

33

qui est trop grand pour l’analyse fonctionnelle à l’échelle de l’aménagement. La surface inter-

banquettes peut être considérée comme une vaste parcelle de ruissellement et d’érosion, la collecte des

eaux et des terres mobilisées dans le champ s’opérant au niveau du canal de la banquette aval. En étant

délimité latéralement l’espace borné entre une banquette amont et une banquette aval, devient une

vaste parcelle d’érosion où peuvent être facilement comptabilisés les apports en eau et en sédiments

qui sont stockés dans le canal pré banquette.

Au cours de l’événement pluvieux le ruissellement et les transports solides sont stockés dans

ce canal jusqu’à la cote de déversement (figure II-2). Si celle-ci est atteinte, les débits liquides peuvent

être estimés à partir d'un déversoir en V (calé sur la cote du débordement) et les transports solides à

partir de l'accumulation des sédiments dans le canal pré banquette. Les bilans en eau et sédiments

peuvent donc être suivis dans le canal en aval de l'inter-banquettes.

B

Infiltration Zone suivie

A

Precipitations

X

Z

Y

Banquette amont

Banquette aval Déversoir en V

Accumulation Ruissellement &

Ruissellement &

Ruissellement &

Ruissellement & éééérosionrosionrosionrosion

Fig. II-2. Représentation schématique, illustre les processus du ruissellement et de l'érosion sur

un espace inter-banquettes "AB"; "A" est la banquette amont et "B" est la banquette aval

4.5.1. Bilan hydrologique à l'échelle de l'aménagement

Les aménagements en banquettes se font sur les versants en général assez haut dans la

topographie pour ne pas avoir de système de nappes souterraines près de la surface. De plus dans les

zones géographiques qui nous intéressent; les sols à faible couverture végétale sont soumis à de fortes

réorganisations du micro horizon de surface qui limitent sa perméabilité. On peut considérer que tous

les ruissellements y sont de type hortonien.

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PARTIE II. APPROCHE EXPERIMENTALE

34

Les volumes d’eau qui s’accumulent en amont de la banquette peuvent être calculés à partir de

l’enregistrement de la cote du plan d’eau et d’une topographie fine remise à jour après chaque

événement qui a apporté un dépôt sédimentaire. La cinétique du ruissellement sur l’espace inter-

banquettes est reconstituée à partir de ces chroniques de volumes.

Le débit de ruissellement de l’espace inter-banquettes est calculé sur le pas de temps de la

mesure de la hauteur d’eau en appliquant la loi de conservation de la masse aux volumes d’eau

cumulés dans le canal et en négligeant les volumes infiltrés et évaporés au cours de l’évènement.

Appliquée par unité de temps, elle s’exprime alors (Albergel & Rejeb, 1997) :

ddCe Q dtdV -dtdV Q += ....................................................(II-1)

où :

Qe : Débit instantané entrant dans le canal [L3T-1];

dtdV C : Accroissement de volume [L3] dans le canal pendant dt [T];

dtdV d : Volume [L3] intercepté par le canal et ne provenant pas de l’impluvium amont (eau

précipitée sur le canal);

Q d : Le débit instantané déversé [L3T-1] en cas de débordement.

4.5.2. Bilan sédimentaire à l'échelle de l'aménagement

Le ruissellement généré sur l'espace inter-banquettes est plus ou moins chargé en terre par une

érosion diffuse. Les particules de terre déplacées de l’espace inter-banquettes, vont se déposer dans le

canal en aval. Ce canal constitue donc, un piège aux matériaux transportés qui vont se sédimenter.

La quantité de matériaux déposés dans le canal pré-banquette peut être estimée à partir de son

volume et de sa densité. La comparaison des modèles numériques de terrain (MNT) issus des

nivellements précis du canal, permet de repérer les zones de pertes en sol (abrasion du canal) ou

dépôts de terre (sédimentation de terres érodées). L’érosion est alors estimée à partir du bilan entre

volumes perdus et gagnés et de la masse volumique des dépôts.

Les MNT peuvent être calculés à partir des mesures réalisées avec des appareils de

topographie ou à partir des mesures sur un réseau de piquets installés dans le canal et qui permet de

repérer l’épaisseur des dépôts successifs.

La méthode d'analyse des MNT issus de levés topographiques fins, a été largement utilisée

pour caractériser l'érosion et la mobilisation des sols (Dabney et al., 2001; Collinet & Zante, 2005;

Follain, 2006).

Il a été décidé de commencer les mesures avec un tachéomètre laser suivant un maillage assez

dense d'environ 0,5 x 1 m² respectant les irrégularités du relief de manière à mesurer toutes les bosses

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Chapitre 4. Processus du ruissellement et de l'érosion, méthode du suivi à l’échelle de l'inter-banquettes

35

et dépressions visibles. Les levés des canaux (1000 points environ) sont réalisés après chaque

événement ou chaque épisode pluvieux important. En cas de précision insuffisante de cette mesure au

tachéomètre, il est possible de passer à une mesure des dépôts à partir de piquets installés dans le canal

et repérés spatialement avec un niveau de chantier.

Les MNT sont établis à partir d’une interpolation spatiale suivant la méthode de la

triangulation de Delaunay (Lee & Schachter, 1980). La procédure mise en place pour quantifier

l’érosion consiste alors dans le calcul du volume borné entre deux surfaces identiques provenant de

deux MNT successifs.

Les nivellements sont faits sur toute la surface du canal pré-banquette mais un masque est

réalisé pour ne tenir compte, dans les calculs, que des surfaces où visiblement un dépôt s’est produit

(figure II-2). La réduction de la surface prise en compte pour faire la différence de MNT sert à être

plus précis dans l’estimation du volume déposé en s’affranchissant (i) des imprécisions de mesures sur

des points dont on sait par avance qu’ils n’ont pas bougé et (ii) des effets de bord de la méthode

d’interpolation du MNT.

Nous représentons dans l'annexe (II-A) le principe du calcul des MNT et des volumes des

dépôts par l'outil informatique utilisé. Un exemple de fichier sortant avec les résultats de ce calcul y

est donné.

4444....5555....2222....1111.... Incertitude sur la mesure du dépôt sédimentaire Incertitude sur la mesure du dépôt sédimentaire Incertitude sur la mesure du dépôt sédimentaire Incertitude sur la mesure du dépôt sédimentaire

L’estimation de cette incertitude doit permettre de juger de la pertinence de la méthode utilisée

et de donner une fourchette sur l’estimation des quantités de terre érodées.

• Incertitudes des levés au tachéomètre Laser :

Les incertitudes d’un levé topographique sont le cumul des incertitudes provenant de deux

sources principales :

(1) L'incertitude des mesures topographiques, qui a deux composantes :

a) Incertitude de l'appareil ou des instruments de mesure (Tachéomètre laser, mire).

b) Incertitude due à l'expérimentateur : la variation des résultats de levé d’une même borne

de référence avec un même appareil selon l'expérimentateur.

(2) L'incertitude du calcul des MNT et des volumes à partir de ces MNT : cette incertitude due à

l'approximation de la surface topographique à partir des levés ponctuels (interpolation).

L'une des méthodes les plus utilisées pour caractériser l’incertitude utilise une description

statistique des erreurs que l’opérateur fait sur des mesures a priori identiques. Elle s’exprime à l'aide

de la marge d'erreur ou l'intervalle de confiance et de l'écart-type (Lamotte, 1971);

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PARTIE II. APPROCHE EXPERIMENTALE

36

)/(1.96 m= 95% à confiance de Intervalle nσ×±

)/(2.575 m = % 99 à confiance de Intervalle nσ×±

: m La moyenne, : σ L'écart-type et : n Le nombre des mesures effectuées.

Collinet et Zante (2005) préconisent la méthode suivante pour estimer l'erreur de mesure sur le

volume de sédiments déposés. Elle consiste à considérer que l'erreur de mesure liée au calcul des

volumes à partir de MNT, est au maximum égale à la somme des incertitudes sur le MNT et des

incertitudes de recalage sur une borne de référence lors du nivellement. Dans cette méthode, seules les

premières sources de l'incertitude, paragraphe (1), sont prises en considération. Les incertitudes sur les

mesures topographiques sont estimées en effectuant plusieurs fois le même levé sur une partie réduite

(grille-test) de la zone levée; 196 points espacés de 1 m. L'estimation de l'erreur de recalage sur les

bornes de référence est effectuée à partir de dix levés de ces bornes.

• Incertitudes des levés manuels des piquets:

Sur un réseau de piquets, l’incertitude provient de la précision de lecture réalisée lors de la

mesure du piquet et de la précision du positionnement du piquet dans l’espace. Il est possible d'estimer

la précision de la grille d’interpolation spatiale en effectuant plusieurs lectures de la hauteur de chaque

piquet (au moins cinq lectures) lors d'un levé manuel des piquets. L'analyse de variance sur ces

mesures permet d'estimer cette précision.

A partir des considérations bibliographiques énoncées ci-dessus et de la conception d’un

observatoire du ruissellement et de l’érosion sur un espace inter-banquettes bornée latéralement, nous

avons recherché un versant aménagé en banquettes à rétention totale représentatif de la zone semi-

aride tunisienne. Ce versant a été ensuite équipé pour un suivi temporel de son fonctionnement hydro

sédimentaire et une série d’expérimentation ont été mises en œuvre pour la caractérisation des

paramètres qui sont utiles pour la modélisation déterministe de ce fonctionnement.

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Chapitre 5. Choix d’une région, d’un bassin versant et d’un site d’étude

37

Chapitre 5. Choix d’une région, d’un bassin versant et d’un site d’étude

Ce chapitre décrit le contexte géographique de la région, du bassin versant et du site d’étude. Il

développe les arguments de ces choix. Enfin il décrit de manière précise le dispositif installé sur le

terrain.

5.1. Contexte géographique et climatique de la région d’étude

Pour installer notre expérimentation nous avons choisi la Dorsale Tunisienne où les

phénomènes d’érosion sont connus et combattus depuis l’époque romaine (Temple-Boyer, 2006).

C’est aussi la région de Tunisie qui a fait l’objet du plus grand nombre d’aménagements de

conservation des eaux et des sols dans le cadre de la stratégie de lutte anti-érosive du gouvernement

Tunisien (Selmi, 1996).

La Dorsale Tunisienne est caractérisée par un climat méditerranéen semi-aride. Les étés sont

chauds et secs, et les hivers plus humides sont frais. Les précipitations sont très irrégulières, à la fois

dans le temps et dans l’espace. Le rapport entre les précipitations maximales et minimales varie de 4,4

au nord du pays à 15,8 au sud (Habaieb & Masmoudi-Charfi, 2003). La figure (II-3) montre, à titre

d'exemple, la moyenne interannuelle calculée sur la période 1928 à 2000 dans le poste climatique

d'Oueslatia. Elle est de l'ordre de 374 mm avec un écart type de 174 mm. Sur ce même site, situé au

cœur de la Dorsale, la pluviométrie annuelle varie entre 119 mm (1994) et 1176 mm (1929).

Pluviométrie annuelle à Oueslatia entre 1928 et 2000

0

200

400

600

800

1000

1200

1928

1932

1936

1940

1944

1948

1952

1956

1960

1964

1968

1972

1976

1980

1984

1988

1992

1996

2000

Plu

ie (

mm

)

Pluie annuelle (mm) Pluie moyenne annuelle (374 mm)

Fig. II-3. Variation inter-annuelle de la pluviométrie enregistrée à Oueslatia entre 1928 et 2000

La distribution des précipitations est également marquée par une très forte saisonnalité. De 70

à 90 % de la pluviométrie totale sont enregistrés entre novembre et janvier (anonyme, 1988).

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PARTIE II. APPROCHE EXPERIMENTALE

38

Les températures sont chaudes et sèches (dépassant les 45 °C) en été et fraîches voire froides

l’hiver, avec des températures minimale au dessous de zéro pour une dizaine de jours par an en

moyenne. Les vents sont forts de régime nord-ouest en hiver – printemps. Ils sont de sud-est l’été

(Shergui ou Sirocco). Le potentiel évaporatoire de ce climat est très fort surtout en été. Le réseau de

bacs à évaporation enterrés, installé par le programme HYDROMED sur les lacs collinaires, montre

un maximum de 1900 mm/an sur le versant Sud-Est de la Dorsale, mais aussi une forte variabilité

selon l’exposition aux vents dominats d’été (Albergel & Nasri, 2001).

La Dorsale Tunisienne fait partie de l’orogenèse atlasique du miocène supérieur. C’est un

ensemble d'alignements montagneux s'étendant, en Tunisie, des monts de Tébessa, à la frontière avec

l'Algérie, jusqu'aux hauteurs du cap Bon (en général sans les inclure). Elle constitue le prolongement

oriental de l'Atlas saharien et s'oriente sur un axe sud-ouest/nord-est. Elle se caractérise par des

altitudes globalement décroissantes, entre le Djebel Chambi (1544 m) à l'ouest, point culminant de la

Tunisie, et le Djebel Boukornine (576 m) à l'extrémité est. Plutôt qu'un ensemble compact de

montagnes (appelées djebel), la Dorsale est une succession de massifs montagneux plus ou moins

alignés, plus ou moins élevés et séparés entre eux par des trouées transversales (Temple-Boyer, 2006).

La lithologie montre essentiellement des successions marnes - calcaires.

Dans l'Antiquité, la Dorsale apparaît comme un espace peuplé si l'on considère le cas de cités

florissantes telles qu'Oudna, Mactaris (Makthar), Hir Souar, Sufetula (Sbeïtla), Cillium (Kasserine),

etc. Elle fournissait grains et huile d’olive à Rome. Cette mise en culture très tôt dans l’Histoire de

l’homme est l’une des raisons de la forte érosion partout visible.

Au XIXème, et XXème siècle cet espace est exploité au profit des grandes villes littorales

(Tunis, Sfax et Sousse) à travers l'acquisition de grands domaines d'agriculture extensive par des

notables urbains, la famille beylicale ou de grands fermiers coloniaux et la captation des eaux de

source (Aïn Tebournouk, Jougar, Bargou, Haffouz et Sbeïtla). La Dorsale est ainsi considérée comme

le « château d'eau » de la Tunisie.

Depuis l'indépendance, une politique d'aménagement du territoire et de développement local a

encouragé quelques spécialisations agricoles intensives avec l'extension de l'irrigation et de

l'arboriculture. De même, la mise en place des CRDA (Commissariats Régionaux de Développement

Agricole) a permis d'appliquer une politique très volontariste d’aménagement des terroirs et de

développer la lutte anti-érosive.

Les têtes de bassin versant de la plupart des grandes rivières du pays se trouvent dans la

Dorsale. On s’est proposé de choisir l’un de ces bassins sur lequel un aménagement en baquettes à

rétention totale a été installé récemment.

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Chapitre 5. Choix d’une région, d’un bassin versant et d’un site d’étude

39

5.2. Le bassin versant d'El-Gouazine, localisation et caractérisations

éco-géographique et pédologique

Dans le cadre des bassins versants de lacs collinaires suivis dans le projet HYDROMED

(Albergel & Nasri, 2001), le bassin versant d’El-Gouazine a fait l’objet d’un important aménagement

anti-érosif par banquettes à rétention totale en 1996 et 1997. Cet aménagement a été mis en place pour

protéger le petit barrage de ce bassin de l’envasement (Lallahem, 1996). La mise en place de ces

aménagements ont fait l’objet de suivis de la part de nombreux chercheurs (Albergel et al., 1998;

Nasri, 2002; Nasri et al., 2004; Baccari, 2006; Baccari, thèse en cours).

Le bassin versant d’El-Gouazine est représentatif d’un système « culture – élevage » en zone

méditerranéenne semi-aride.

Situé au cœur de la Dorsale Tunisienne, au pied du Jbel Serj, le bassin versant d’El-Gouazine

se trouve à 15 km de la délégation d’Oueslatia, dans le gouvernorat de Kairouan (figure II-4).

Ce bassin versant a une superficie de 18,1 km². Il est orienté sud-nord et a une forme allongée,

sa longueur est de 10 km et sa largeur varie de 1,5 km à 3 km. Son exutoire occupe les coordonnées

géographiques suivantes : 35°54’30’’ de Latitude Nord et 9°42’13’’ de Longitude Est.

La pluie moyenne annuelle observée sur le bassin (1993 – 2006) est 366 mm, avec un écart

type de 124 mm, pour 375 mm à la station de référence d’Oueslatia. Les averses correspondent à des

orages violents de courte durée ne dépassant en général pas l’heure. Elles sont aussi caractérisées par

de fortes intensités dépassant souvent 100 mm/h en 5 minutes.

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PARTIE II. APPROCHE EXPERIMENTALE

40

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480000

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484000

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280000

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282000

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286000

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288000

0 1 2 Kil o meters

N

Li mite du BV El GouazineRéseau hydrographiqueLac d'El GouazineBanquette

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484000

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288000

0 1 2 Kil o meters

N

Li mite du BV El GouazineRéseau hydrographiqueLac d'El GouazineBanquette

D’après http://worldatlas.com

Fig. II-4. Localisation du bassin versant d’El-Gouazine (d'après Nasri & Baccari, 2005).

D’un point de vue géologique, le bassin versant appartient au synclinal d’Oueslatia. Il présente

une forte hétérogénéité géomorphologique avec des massifs montagneux et des encroûtements

calcaires. Dans la vallée les terrasses alluviales sont des dépôts quaternaires grossiers reposant sur des

marnes à minces intercalations calcaires datant du Lutétien Bartonien. Des bancs de calcaires

lumachelliques affleurent sur les versants. Les sommets, en rive gauche, sont constitués de grès

attribués à l’Oligocène (figure II-5)

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Chapitre 5. Choix d’une région, d’un bassin versant et d’un site d’étude

41

Fig. II-5. Carte géologique du bassin d’El-Gouazine (in Ayari et al., 2004)

Les sols résultants de cette géologie sont de trois types; (i) les interfluves présentent des sols

calcimagnésiques à encroûtement calcaire plus ou moins induré ; (ii) tandis que les vallées présentent

des sols peu évolués; (iii) dans les parties aval, les sols alluviaux profonds sablo-argileux alternent

avec des sols calcimagnésiques, (Zante & Mansouri in Mansouri, 2001).

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PARTIE II. APPROCHE EXPERIMENTALE

42

Fig. II-6. Carte d’occupation des sols du bassin d’El-Gouazine (in Ayari et al., 2004)

Une grande partie de la surface du bassin est occupée par des terres agricoles, elles

représentent 46 % du bassin versant et sont presque entièrement traitées par des banquettes en courbe

de niveau. Le reste du bassin est semi-forestier avec des reboisements en pin d’Alep (figure II-6).

Dans les parties cultivées, on trouve essentiellement des cultures céréalières alternant avec des

périodes de mise en jachère (40%), des plantations d’oliviers et d’amandiers (6%), les jachères sont le

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Chapitre 5. Choix d’une région, d’un bassin versant et d’un site d’étude

43

plus souvent parcourues et subissent un surpâturage (Zante et al., 2004). Dans la partie de terre non

cultivée du bassin, Zante et Mansouri (in Mansouri 2001) donnent la répartition suivante : 16,7% de

forêts denses ou claires, 10,7% de parcelles d’alfa, 9,3% de terres de parcours, 8% de garrigues. Le

reste de la surface (9,3%) est occupée par le réseau hydrographique et le lac ou urbanisée.

La végétation naturelle est représentée par de l’alfa (Stipa tenascissima), du pin d’Alep (Pinus

halepensis) et des caroubiers isolés (Ceratonia siliqua). Sont également présentes différentes espèces

de type méditerranéen : Rosmarinus officinalis, Erica multiflora, Geniste cinens, Phyllarea

augustifolia, Cistus selvifolius, Globularea alypum, Cistus libanotis, Artemesia herba alba et Ballota

hissuta.

En 1990 un barrage en terre compactée a été construit à l’exutoire du bassin. Il est constitué

d’une digue de 232 m de long et de 10,63 m de haut. Il est équipé en rive gauche d’un déversoir latéral

bétonné de forme trapézoïdale dont la cote par rapport au fond du barrage (zéro de l’échelle de crue)

est à 8,28 m. La retenue est un lac d’une dizaine d’hectares à la cote de déversement et d’une capacité

de 237 000 m3 en date de la première mise en eau (Mansouri 2001). Les principales caractéristiques

hydrologiques du bassin versant et de sa retenue en aval, sont reportées dans le tableau (II-1);

Tableau. II-1. Principales caractéristiques hydrologiques du bassin versant et de sa retenue en aval.

Caractéristiques du bassin versant Caractéristiques de la retenue

Surface A (ha) 1810 Année de construction 1990

Périmètre P (km) 25,85 Volume au déversement Vi (m3) 237 030

Indice de compacité C 1,7 Surface au déversement Si (ha) 9,597

Longueur du rectangle L (km) 11,33 Rapport Vi/Si 2,47

Largeur du rectangle l (km) 1,6 Hauteur de la digue (m) 10,63

Altitude maximale (m) 575 Longueur de la digue (m) 232

Altitude minimale (m) 376 Nature du déversoir béton, trapézoïdal

Indice de pente lg (m/km) 18 Hauteur du déversoir (m) 8,28

Dénivelée (m) 199 Largeur du déversoir (m) 20,6

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PARTIE II. APPROCHE EXPERIMENTALE

44

5.3. L'aménagement en banquettes dans le bassin versant

Le bassin versant d’El-Gouazine a été aménagé en banquettes à rétention totale entre juillet

1996 et juillet 1997. L’espacement moyen entre les banquettes est de 50 m. La superficie aménagée du

bassin versant est de 783 hectares, soit 43%. Ces banquettes sont construites mécaniquement sur toutes

les terres non marneuses mais agricoles du bassin. Cet aménagement a été réalisé à partir d’une étude

des zones les plus exposés à l’érosion (Lallahem, 1996).

L'aménagement en banquettes est réparti sur deux parties du bassin versant :

(i) El-Gouazine I sur sols bruns calcaires relativement épais dans la partie aval;

(ii) El-Gouazine II sur sols peu évolués et rendzines sur calcaires dans la partie amont.

La carte de la figure (II-7) montre les emplacements de ces deux sites. Tous deux sont

aménagés en banquettes de terre de quelque 1,5 m de hauteur, au tracé isohypse et à espacement

variant avec la pente topographique de 30 m à 100 m.

Les sols bruns calcaires ayant une bien meilleure aptitude agricole que les rendzines et les

lithosols calcaires, nous avons décidé d’installer l’expérimentation sur le site 1.

5.4. Le site expérimental et les modalités à tester

La figure (II-7) présente la localisation du site expérimental dans le bassin versant et un

schéma des parcelles de mesure. Ce site est constitué d’une partie mise en jachère depuis plusieurs

années (parcelles EGI1 et EGI2) et d’une partie régulièrement cultivée en céréales donc au sol labouré

toutes les années et ensemencé lorsque les pluies d’automne le permettent (parcelle EG13). Durant les

deux années de l’expérience la parcelle (EG13) a été travaillée mais pas ensemencée. Dans la région,

les labours sont effectués à la charrue à disques dans les sols collu-alluviaux profonds et par griffage

superficiel dans les sols calcimagnésiques caillouteux peu profonds.

La surface du sol de la parcelle en jachère est relativement plane et présente une croûte de

surface de type « croûte d’érosion », (croûte structurale érodée) suivant la typologie des états de

surfaces établie par Casenave et Valentin (1989). Alors que celle de la parcelle travaillée est constituée

de mottes où, après les premières pluies apparaît une « croûte structurale très poreuse ».

La surface du sol de la parcelle en jachère présente une végétation graminéenne éparse

pâturée. Quelques rares touffes rabougries de thym, romarin et d’herbe à alba sont présentes.

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Chapitre 5. Choix d’une région, d’un bassin versant et d’un site d’étude

45

5.4.1. Equipement antérieur du site

Un pluviographe automatique à augets basculants enregistre les hauteurs de pluie et leurs

intensités. Il a été installé dans la partie EG1 du bassin depuis 1997. Il s’agit d’un pluviographe du

type Œdipe équipé d’une bague réceptrice pour la mesure de hauteurs de pluie. Cette bague, située à

un mètre du sol, est d’une surface de 400 cm². Une centrale enregistre le temps à chaque basculement.

La cellule de mesure est constituée de deux augets qui recueillent les eaux de pluie et basculent

alternativement sous le poids de l’eau (20 g). Chaque basculement d’auget se fait pour une quantité de

pluie recueillie de 0,5 mm et est enregistré sur une base de temps précise à la seconde. L'appareil

mesure donc les précipitations avec une précision nominale de 0,5 mm pour la hauteur et 1 seconde

pour le temps.

Une visite de l’appareil est effectuée tous les trois mois, afin de procéder au relevé des

données, au nettoyage et à la vérification du fonctionnement des augets.

Sur le même bassin versant deux autres pluviographes sont installés, l'un au barrage et l'autre

en amont du bassin. Ils peuvent servir à vérifier les précipitations enregistrées sur notre site.

A partir d’avril 1994, un bac à évaporation de type ORSTOM-Colorado (bac enterré de

surface 1 m²), (Remenieras, 1972) et un pluviomètre ont été installés au sommet de la digue en terre.

Depuis cette date, un observateur y effectue des mesures quotidiennes de pluie et d’évaporation. En

octobre 1998, deux pluviographes ont été installés dans la partie amont du bassin versant afin de

compléter le dispositif pluviométrique.

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46

Fig. II-7. Le bassin versant d’El-Gouzine (à gauche) et le schéma du site de l’étude avec les deux parcelles de mesures (à droite).

D’après http://worldatlas.com

Parcelle en Jachère

Parcelle labourée

Banquettes

Aval

Pluviographe

Station hydrométrique

Esp

ace

inte

r-ba

nque

ttes

Amont

EGI1

EGI2

EGI3

Le bassin de l'ElGouazine d’après Ayari et al., 2004

D’après http://worldatlas.com

Parcelle en Jachère

Parcelle labourée

Banquettes

Aval

Pluviographe

Station hydrométrique

Esp

ace

inte

r-ba

nque

ttes

Amont

EGI1

EGI2

EGI3

Le bassin de l'ElGouazine d’après Ayari et al., 2004

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Chapitre 5. Choix d’une région, d’un bassin versant et d’un site d’étude

47

5.4.2. Equipement de deux parcelles de mesures

Pour réaliser notre étude expérimentale, deux parcelles, aux caractéristiques

morphopédologiques similaires ont été délimitées dans un espace inter-banquettes sur le site, EG1,

(figure II-7). Elles sont représentatives des deux modalités de traitement du sol les plus courantes dans

les terres de céréaliculture : jachère pâturée et sol labouré à la charrue à disque. Ces deux parcelles

séparées par un chemin agricole sont délimitées en amont et en aval par des banquettes. On les a

également délimité latéralement soit par un talus en terre (modalité "sol travaillé") soit par une bordure

en béton (modalité "jachère") pour éviter des apports ou des pertes latéraux en respectant le sens de la

pente et des cheminements de l’eau sur le terrain. Chacune de ces deux parcelles est décrite en détail

ci-dessous.

L'équipement de ces deux parcelles a été intégralement réalisé dans le cadre du travail de cette

thèse. Nous avons reçu l’aide de l’équipe hydrologique INRGREF / IRD de Tunis pour réaliser les

installations. Ces installations ont été dimensionnées à partir d’une étude que nous consignons ci-

dessous avec la description des parcelles.

5555....4444....2222....1111.... La parcelle en jachèreLa parcelle en jachèreLa parcelle en jachèreLa parcelle en jachère

La superficie de cette parcelle est de 2844 m². Sa longueur moyenne, qui correspond à

l'espacement inter-banquettes, est de 75 m (figure II-8).

Ph. Y. ALALI, 9/04 Fig. II-8. Canal et station de la parcelle en jachère

La parcelle a été délimitée latéralement par deux murets en béton semi-coffrés de l’intérieur

dont la hauteur est de 10 cm ; hauteur suffisante pour éviter tout débordement ou apport extérieurs.

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PARTIE II. APPROCHE EXPERIMENTALE

48

Le canal aval de cette parcelle a été également délimité par deux digues à droite et à gauche

d'environ 1,25 m de hauteur par rapport au fond du canal (cote minimale du canal). Sur la digue de

gauche, un déversoir triangulaire calé sur la cote du débordement a été installé pour estimer les débits

excédentaires en cas de débordement lors des forts ruissellements (figure II-8).

5555....4444....2222....2222.... La parcelle travailléeLa parcelle travailléeLa parcelle travailléeLa parcelle travaillée

Elle est située dans un champ habituellement cultivé (figure II-9). Cependant, durant

l’expérimentation, elle a été labourée chacune des deux années mais pas ensemencée. Sa surface

motteuse et très rugueuse, s’est couverte après les premières pluies d’une croûte structurale ouverte.

Ph. Y. ALALI, 9/04 Fig. II-9. Canal et station de la parcelle labourée

La superficie de cette parcelle est de 2950 m². Sa longueur moyenne, dans le sens de la pente,

est d'environ 60 m.

Deux digues en terre ont été mises en place dans le but de délimiter cette parcelle latéralement.

Au niveau du canal de cette parcelle, deux autres digues, mais en béton cette fois-ci, ont été

confectionnées. La hauteur de chaque digue est environ 0,86 m par rapport au fond de canal. Un

déversoir triangulaire à été installé sur la digue droite et calé sur la cote de débordement latéral de la

banquette aval (figure II-9).

A l’aval des parcelles de mesure, deux stations hydrométriques ont été installées. Chacune de

ces stations a été équipée d’un enregistreur des niveaux d’eau (Thalimèdes, marque OTT) pour

mesurer en continu le niveau d’eau et déterminer les hydrogrammes des crues observées consécutives

aux événements pluvieux. Le Thalimèdes est un codeur enregistreur limnimétrique à flotteur, avec une

unité de codage et une unité d’acquisition programmable. Il fonctionne avec une pile de 1,5 V,

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Chapitre 5. Choix d’une région, d’un bassin versant et d’un site d’étude

49

suffisante pour environ 15 mois. 30000 données peuvent être stockées dans une mémoire circulaire. La

programmation de l’appareil et le transfert des données s’effectuent à l’aide un ordinateur portable via

le logiciel Hydras 3.

Le Thalimèdes a été installé dans un coffret métallique posé au sommet d’un tube de 12 cm de

diamètre et de 1 mètre de haut dans lequel le flotteur peut monter et descendre librement en fonction

de la variation de la cote de l’eau dans le canal. L’unité de codage est protégée dans la partie inférieure

du coffret.

Pour vérifier le bon fonctionnement du Thalimèdes et lui donner une référence en cote, une

échelle limnimétrique a été installée sur un fer en U près du limnigraphe. Elle est positionnée de

manière à ce que son origine soit placée en dessous du niveau du point le plus bas du canal au moment

de l’installation. La figure (II-10) montre le dispositif du suivi hydrologique, installé dans le canal de

la parcelle en jachère:

Photo S. Nasri, 11 / 2004Photo S. Nasri, 11 / 2004

Thalimèdes

Fig. II-10. Vue du canal de la parcelle en jachère et sa station hydrométrique après un événement pluvial en novembre 2004

Le pluviographe de type Œdipe (Marque SEPE IESM), présenté plus haut, a été déplacé de

son ancien site vers un emplacement situé en amont du site proche de la piste agricole séparant les

deux parcelles afin qu'il soit représentatif des intensités de pluie tombant sur les parcelles et pour

faciliter la récupération des données.

5555....4444....2222....3333.... DimensionDimensionDimensionDimensionnement des stations hydrométriquesnement des stations hydrométriquesnement des stations hydrométriquesnement des stations hydrométriques

Le dimensionnement de chaque station de mesure (hauteurs des digues et cote de déversoir) a

été réalisé à partir d’une estimation de ruissellement de la pluie journalière décennale. Ce volume

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PARTIE II. APPROCHE EXPERIMENTALE

50

ruisselé susceptible d’être stocké dans le canal est calculé de la façon suivante :

V10 = P10.Sd.Kr max .......................................................................(II-2)

Où : V10 : Le volume décennal maximal du ruissellement [L3];

P10 : La pluie journalière décennale maximale [L];

Sd : La surface drainée contributive au ruissellement [L2];

Kr max : Le coefficient maximal du ruissellement [%].

La démarche de dimensionnement consiste donc à :

- Déterminer le coefficient maximal du ruissellement dans les deux parcelles. Ce coefficient est

obtenu à partir des essais de simulation de pluie.

- Déterminer la pluie journalière décennale à partir de la station pluviométrique la plus proche

et pour une série de mesures suffisante. Cette pluie est de l'ordre de 93,6 mm pour une période

de retour de 10 ans. Elle a été estimée au poste climatique de l'Ousseltia, situé à 20 Km du site

pour la période 1967-94 (cf. annexe II-B).

- Calculer la surface drainée par l’impluvium de chaque parcelle. Ce calcul est effectué à partir

d’un nivellement topographique de cet impluvium.

- Déterminer la cote du débordement de la station en utilisant la courbe d'étalonnage (hauteur-

volume) de chaque canal. Cette courbe est établie à partir d'un levé topographique fin du

canal.

- Déterminer les hauteurs des digues de la station à installer en aval de chaque parcelle. Dans

notre cas, la hauteur de chaque digue dépasse la cote du débordement de 0,25 m (pour

permettre d'installer le déversoir).

Les résultats du dimensionnement dans les deux parcelles sont reportés dans le tableau

(II-2). La cote du débordement de la station dans ce tableau est donnée par rapport au fond du canal

(point le plus bas).

Tableau II-2. Résumé des éléments du dimensionnement des deux stations

P10 (mm) = 93,6 Sd

(m2) Kr max (%)

V10 (m3)

Cote du débordement à l'échelle (m)

Parcelle en jachère 2844 76 202 0,99

Parcelle travaillée 2951 22 61 0,62

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Chapitre 5. Choix d’une région, d’un bassin versant et d’un site d’étude

51

5555....4444....2222....4444.... Etalonnage des déversoirsEtalonnage des déversoirsEtalonnage des déversoirsEtalonnage des déversoirs

Pour un éventuel débordement, le même type de déversoir a été construit pour les deux

stations et avec des dimensions identiques. Il s’agit d’un déversoir triangulaire à mince paroi, situé à

l’extrémité d’un canal en béton (longueur : 2 m; largeur : 0,3 m). Le seuil déversant du déversoir est

calé sur la cote de débordement de la station dans chaque parcelle.

Pour obtenir la relation hauteur / débit de déversement, nous avons utilisé, dans un premier

temps, la formule de Gourley et Grimp (Lencastre, 1999). Elle est donnée par la formule :

Qd = 1,32 tan (av /2) hv2,47..............................................................(II-3)

où :

Q d : Débit de déversement [L3/T];

av : Angle d’ouverture du V;

hv : Hauteur d’eau dans le V [L];

1,32 et 2,47 : constantes.

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Chapitre 6. Les résultats du suivi du bilan hydro-sédimentaire,

caractérisation du fonctionnement global de l'aménagement

6.1. Les bilans en eau

6.1.1. Caractéristiques des averses

Pendant les deux années d’observation du 06/07/2004 au 30/08/2006, 96 averses* ont été

observées totalisant une lame d’eau précipitée de 971 mm dont 40 averses ont ruisselées (tableaux II-3

et 4). Les 96 averses peuvent être classées en trois groupes :

- Le premier groupe correspond aux hauteurs de pluie qui ne produisent pas de ruissellement.

En effet, aucune pluie dont la hauteur a été inférieure à 2.5 mm n’a jamais donné de

ruissellement sur le site. Pour la modalité Jachère, une seule averse égale à ce seuil a donné

lieu à un seul écoulement. Pour la modalité "labour", ce seuil de hauteur de pluie a été de 12

mm. Nous avons compté 73 averses supérieures à 2,5 mm pendant la période d'observation.

- Le second groupe de pluie est constitué par des averses qui peuvent avoir donné ou pas de

ruissellement en fonction des états d’humectation initiaux du sol et de l’intensité de la pluie. Il

s’agit pour la modalité "jachère" de pluies dont la hauteur est comprise entre 2,5 mm et 18 mm

et on en a compté 63 averses. Pour la modalité "labour" ces averses ont une hauteur comprise

entre 12 mm et 31,5 mm et on en a compté 14 averses.

- Le troisième groupe correspond aux averses dont la hauteur précipitée donne du ruissellement

quels que soient les autres paramètres. Il s’agit pour la modalité "jachère" de pluies dont la

hauteur est supérieure à 18 mm et on en a compté 10. Pour la modalité "labour" ces averses

ont une hauteur supérieure à 31,5 mm et on en a compté 5.

La figure (II-11) donne le hyétogramme de la pluie la plus importante en hauteur de lame

précipitée observée. Elle est survenue le 08/02/2005. Comparé à la série d'Ouesletia, elle aurait une

récurrence de 10 ans. Ce n’est pas l’épisode pluvieux qui a présenté les pics d’intensités les plus forts.

En effet l’intensité maximale de cette pluie a été de 37 mm/h contre 137 mm/h pour la pluie du

02/11/2004 qui avait totalisé une lame précipitée de 25,5 mm.

Ce résultat corrobore les observations de la pluviométrie en zone semi-aride méditerranéene

avec des pluies d’automne violentes et des pluies de printemps plus fines et plus longues. Ce sont ces

*Seules les averses dont la lame précipitée est supérieure à 1 mm sont prises en compte et avec une durée de séparation des

averses de 2 heures.

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Chapitre 6.Les résultats du suivi du bilan hydro-sédimentaire, caractérisation du fonctionnement

global de l'aménagement

53

pluies d’automne, survenant après la sécheresse estivale qui laisse les sols nus et sans protection qui

sont les plus agressives pour les sols.

Le hyétogramme de la pluie du 8 février 2005

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 1 2 3 4 5 6 8 9 10

11

12

13

14

15

16

17

18

20

21

22

23

24

Temps de pluie (h)

Inte

nsité

de

plui

e en

5 m

n (m

m/h

)

Intensité de pluieen 5 mn (mm/h)

Fig. II-11. Le hyétogramme de la pluie décennale du 8 février 2005

Le mois de février a été le mois le plus pluvieux pendant la première année d'observation. Il

représente environ 30 % de la pluie annuelle. En revanche, dans la deuxième année, le mois de janvier

a été le plus arrosé; avec 37 % de la pluie annuelle. Le tableau de l'annexe (II-B), consigne les valeurs

annuelles et mensuelles de la pluviométrie observée au cours des deux années hydrologiques de

l'observation.

Pendant ces deux années, quarante averses ont généré un ruissellement sur la parcelle en

jachère. En revanche, onze événements seulement ont donné lieu à un ruissellement dans la parcelle

labourée, figure II-12. Aucun débordement des canaux n’a été observé. Le dispositif de mesure installé

sur le terrain a pu enregistrer tous ces événements sans aucune donnée manquante. Les principales

caractéristiques hydrologiques des crues sur ces parcelles ainsi que celles des pluies qui les ont

générées, sont reportées dans les tableaux (II-3 et II-4) pour les deux années hydrologiques 2004 /2005

et 2005 / 2006 respectivement. Les débits des crues et les intensités des averses dans ces tableaux sont

calculés sur un pas de temps de 5minutes.

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Tableau II-3. Les caractéristiques hydrologiques des averses ruisselantes et celles des crues sur au moins l’une des deux parcelles pendant l'année hydrologique 2004 / 2005. Les débits et les intensités sont calculés sur un pas de temps de 5minutes

Parcelle en jachère Parcelle labourée

Date_Début Durée

(h : mn) Pluie (mm)

Intensité max en 5

min (mm/h)

Vol max

ruisselé (m3)

Débit max. (m3/s)

Lame ruisselée

(mm)

Intensité max. du

ruissellement (mm/h)

Kr (%)

Vol max

ruisselé (m3)

Débit max

(m3/s)

Lame ruisselée

(mm)

Intensité max. du

ruissellement (mm/h)

Kr (%)

02/11/2004 03:00 1:30 25,5 136,8 61,7 0,113 21,7 143,2 85,2 41 0,094 13,9 119,2 54,5

12/11/2004 07:30 1:30 6,5 16,8 2,1 0,004 0,7 5,1 11,4 0 0 0 0 0

13/11/2004 01:00 2:00 5,5 4,8 1,5 0,001 0,5 1,3 9,6 0 0 0 0 0

13/11/2004 05:00 8:00 45,5 61,2 86,5 0,037 30,5 46,9 66,9 48,5 0,04 16,4 50,7 36,1

14/11/2004 01:30 0:30 3,0 6,0 3,9 0,005 1,4 6,3 45,8 0 0 0 0 0

14/11/2004 11:30 1:00 3,5 3,6 5,4 0,007 1,9 8,9 54,3 0 0 0 0 0

19/01/2005 16:00 5:30 14,3 8,4 2,2 0,001 0,8 1,3 5,4 0 0 0 0 0

19/01/2005 22:30 2:00 12,1 4,8 3,7 0,002 1,3 2,5 10,8 0 0 0 0 0

20/01/2005 05:00 0:30 4,6 1,2 0,5 0,001 0,2 1,3 3,8 0 0 0 0 0

08/02/2005 19:00 16:30 95,0 37,2 148,3 0,028 52,2 35,5 55,0 19,2 0,011 6,5 13,9 6,9

09/02/2005 13:00 2:30 16,5 14,4 8,7 0,009 3,1 11,4 18,6 11,8 0,008 4,0 10,1 24,2

14/02/2005 18:30 1:00 7,5 6,0 1,6 0,003 0,7 3,8 7,5 0 0 0 0 0

25/02/2005 20:00 2:30 11,5 21,6 6 0,005 2,1 6,3 18,4 0 0 0 0 0

14/06/2005 18:30 1:30 13,5 87,6 20,2 0,011 7,1 13,9 52,7 0 0 0 0 0

21/08/2005 06:00 1:00 6,0 33,6 9,2 0,014 3,2 17,8 54,0 0 0 0 0 0

28/08/2005 15:00 1:30 25,0 106,8 48,6 0,071 17,1 90,0 68,5 8,8 0,013 3,0 16,5 11,9

28/08/2005 17:30 1:30 12,0 64,8 25,9 0,046 9,1 58,3 76,0 14,4 0,016 4,9 20,3 40,7

30/08/2005 17:00 1:00 17,0 39,6 3 0,006 1,1 7,6 6,2 0 0 0 0 0

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Chapitre 6. .Les résultats du suivi du bilan hydro-sédimentaire, caractérisation du fonctionnement global de l'aménagement

55

Tableau II-4. Les caractéristiques hydrologiques des averses ruisselantes et celles des crues sur au moins l’une des deux parcelles pendant l'année hydrologique 2005 / 2006. Les débits et les intensités sont calculés sur un pas de temps de 5 minutes

Parcelle en jachère Parcelle labourée

Date_Début Durée

(h : mn) Pluie (mm)

Intensité max en 5

min (mm/h)

Vol max

ruisselé (m3)

Débit max

(m3/s)

Lame ruisselée

(mm)

Intensité max. ruissellement

(mm/h)

Kr (%)

Vol max

ruisselé (m3)

Débit max

(m3/s)

Lame ruisselée

(mm)

Intensité max. ruissellement

(mm/h)

Kr (%)

04/10/2005 00:00 1:30 12,5 14,4 4,8 0,006 1,7 7,6 13,5 0 0 0 0 0

04/10/2005 07:30 1:00 12 12 2,2 0,002 0,8 2,5 6,5 0 0 0 0 0

05/10/2005 07:30 1:30 22,5 73,2 47,9 0,046 16,9 58,3 75,0 0,7 0,001 0,2 1,3 1,05

12/10/2005 16:30 1:00 2,5 15,6 0,5 0,001 0,2 1,3 7,0 0 0 0 0 0

06/11/2005 14:00 1:30 34,0 78,0 53,9 0,058 19,0 73,5 55,8 17,4 0,021 5,9 26,6 17,3

12/11/2005 14:30 1:00 5,5 4,8 0,7 0,001 0,3 1,8 4,5 0 0 0 0 0

08/01/2006 15:00 2:30 20,5 9,6 7,9 0,003 2,8 3,8 13,6 0 0 0 0 0

08/01/2006 22:30 3:00 17,5 15,6 27,6 0,014 9,7 17,8 55,5 0 0 0 0 0

20/01/2006 01:00 8:00 21,5 7,2 5,2 0,002 1,8 2,5 8,5 0 0 0 0 0

20/01/2006 11:30 8:30 28,5 21,6 50 0,012 17,6 15,2 61,8 0,4 0,001 0,1 1,3 0,5

20/01/2006 22:30 1:00 4,0 6,0 2,4 0,007 0,9 8,9 21,1 0 0 0 0 0

21/01/2006 01:00 5:30 40,0 22,8 55,4 0,015 19,5 19,0 48,8 34,7 0,008 11,8 10,1 29,4

30/01/2006 05:30 1:00 6,0 3,6 1,5 0,004 0,5 5,1 8,8 0 0 0 0 0

30/01/2006 15:30 1:00 4,0 14,4 1,4 0,004 0,5 5,1 12,3 0 0 0 0 0

30/01/2006 20:00 0:30 4,0 7,2 1,4 0,004 0,5 5,1 12,3 0 0 0 0 0

30/01/2006 22:30 1:00 3,0 10,8 1,5 0,003 0,5 3,8 17,6 0 0 0 0 0

31/01/2006 20:30 3:30 9,0 4,8 6,4 0,004 2,3 5,1 25,0 0 0 0 0 0

04/02/2006 19:30 1:30 14,0 48,6 25,7 0,028 9,1 35,5 64,6 0,3 0,001 0,1 1,3 0,7

03/05/2006 23:00 0:30 16,5 21,6 1,0 0,0055 0,4 6,9 2,1 0 0 0 0 0

04/05/2006 02:30 1:00 8,0 15,6 3,0 0,0029 1,1 3,6 13,2 0 0 0 0 0

04/05/2006 21:30 1:30 6,0 9,6 1,0 0,0016 0,4 2,0 5,9 0 0 0 0 0

09/05/2006 20:30 1:30 7,5 46,8 12,0 0,0215 4,2 27,3 56,3 0 0 0 0 0

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PARTIE II. APPROCHE EXPERIMENTALE

56

Les averses ruisselantes sur les deux parcelles

0

510

15

2025

30

3540

45

5055

60

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1213 1415 1617 18 1920 2122 23 2425 26 27 2829 30 3132 3334 3536 37 3839 40

Rui

ssel

lem

ent (

mm

)

0

20

40

60

80

100

120

Pluie (m

m)

Lame ruisselée "Jachère" (mm) Lame ruisselée "Labour" (mm) Pluie (mm)

Fig. II-12. Evénements de pluie ayant généré un ruissellement quantifiable sur au moins une des deux modalités "jachère" et "labour"

L'estimation d’erreur est réalisée en considérant la précision de la courbe d’étalonnage

(hauteur / volume) égale à 5% et de celle sur la lecture des hauteurs d’eau dans le canal estimée à 1

cm. En exemple, ce calcul d’erreur pour la crue du 02/11/2005 (tableau II, 3, 1er évènement), donne un

volume ruisselé compris entre 57,3 et 68,8 m3. Les incertitudes sur les estimations de volume dans le

canal sont supérieures aux termes négligés dans l’équation du bilan (II-1) (évaporation et infiltration

au cours de l’événement).

6.1.2. Caractéristiques du ruissellement

Une première analyse des résultats montre une différence significative du ruissellement sur les

deux modalités : les valeurs moyennes du coefficient d’écoulement annuel sont respectivement de 27

% et de 7 % sur la modalité "jachère" et sur la modalité "labour".

L’analyse par crue montre que la différence entre les deux modalités testées persiste tout le

long de l’année malgré une augmentation du ruissellement sur la modalité "labour" lors de la

formation de croûtes structurales après les premières pluies. La figure (II-13) met en évidence une

relation linéaire entre les lames ruisselées et les hauteurs précipitées pour la modalité "jachère" avec

un coefficient moyen de ruissellement de 43 %. (Le ratio entre la lame totale ruisselée et les hauteurs

des averses ruisselantes). Cette corrélation (R²=0,86) est fortement influencée par l’événement du

08/02/2005 avec 95 mm de hauteur de pluie. Elle reste cependant encore significative si on supprime

ce point (R² = 0,76). Par contre on n'a pas pu clairement définir une telle relation pour la modalité

"labour". La dispersion des points est due à des conditions initiales de surface plus perméables et plus

variables. Le seuil d'apparition du ruissellement est plus élévé et les événements importants en hauteur

mais avec de faibles intensités sont peu ruisselants. Aussi, les averses de courte durée et d'intensité

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Chapitre 6. .Les résultats du suivi du bilan hydro-sédimentaire, caractérisation du fonctionnement global de l'aménagement

57

modérée n’ont pas engendré de ruissellements sur cette parcelle, l'échantillon "pluie / ruissellement"

est plus petit et se prête moins à une étude statistique. Le coefficient moyen de ruissellement y est

seulement de 11 %.

Lame ruisselée en fonction de la pluie

y = 0.60x - 2.73

R2 = 0.87

0

10

20

30

40

50

60

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Pluie (mm)

Lam

e r

uiss

elé

e (m

m)

Lame ruisselée "Jachère" (mm) Lame ruisselée "Labour" (mm)

Fig. II-13. Comparaison entre ruissellements sur les modalités "jachère" et "labour"

La figure (II-14) montre la relation entre les intensités maximales du ruissellement et de la

pluie, ces deux variables étant moyennées sur un pas de temps de cinq minutes et exprimées en mm/h.

Intensité max. du ruissellement en fonction de l'intensité max. de pluie

y = 0.87x - 3.99

R2 = 0.83

y = 0.63x - 14.88

R2 = 0.50

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0 20 40 60 80 100 120 140 160

Intensité max. de pluie (mm/h)

Inte

nsité

max

. de

ruis

selle

men

t (m

m/h

)

Intensité max. du ruissellement "Jachère" (mm/h) Intensité max. du ruissellement "Labour" (mm/h)

Fig. II-14. Intensité maximale de ruissellement en fonction de l’intensité maximale de la pluie sur un pas de temps de 5 minutes

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PARTIE II. APPROCHE EXPERIMENTALE

58

La plus grande dispersion des points sur la modalité "labour" s'explique par la formation

progressive de pellicules de surface après le travail du sol. Les deux corrélations sont néanmoins

significatives. Elles indiquent des intensités de pluie limite du déclenchement du ruissellement

nettement différentes dans les deux parcelles: 5 mm/h pour la modalité "jachère" et 24 mm/h pour la

modalité Labour.

Les calculs des temps de montée (temps entre le début et le maximum de la crue) et de réponse

(temps entre le centre de gravité de l’averse et le débit de pointe) pour chaque crue, ne montrent pas de

différence significative entre les deux modalités. Les temps de réponse sont de l’ordre de 8 minutes et

les temps sont de montée de l’ordre de 20 minutes.

A l'échelle annuelle, les observations hydrologiques ont montré une variabilité interannuelle

de l'aptitude au ruissellement dans la même modalité. Or pour presque la même moyenne annuelle de

précipitation enregistrée au cours des deux années de mesures, nous avons mesuré 9 et 6 % de

ruissellement en moins la deuxième année dans la jachère et le labour respectivement. Cette variabilité

d'aptitude au ruissellement est liée au fait que les précipitations de la deuxième année ont des

intensités plus modérées et sont réparties sur plus d'averses ruisselantes par rapport à celles de la

première année.

Le tableau (II-5) récapitule les principales caractéristiques hydrologiques des bilans en eau sur

les deux parcelles pendant les deux années de mesure;

Ha : La hauteur de pluie annuelle sur le site en mm;

I max : L'intensité maximale de la pluie sur un pas de temps de 5 minutes en mm/h;

N event : Nombre des averses génératrices de ruissellement dans chaque parcelle;

Lr : La lame totale ruisselée en mm;

Q max : Le débit maximal calculé sur un pas de temps de 5minutes en m3/s;

Kr : Le coefficient annuel de ruissellement en %.

Tableau II-5. Bilans annuels des évènements ruisselants sur les deux modalités

6.1.3. Comportement hydrologique du canal

Suite aux crues les volumes d’eau stockés disparaissent progressivement en quelques journées

par évaporation et infiltration. La figure (II-15) montre, à titre d'exemple les volumes d’eau stockés

Parcelle en jachère Parcelle labourée

Année hydrologique

Ha (mm)

I-max

(mm/h) Nb°

event

Lr

(mm)

Q max

m3/s

Kr

%

Nb°

event

Lr

(mm)

Q max

m3/s

Kr

%

2004 / 2005 489 137 18 155 0,11 32 6 49 0,09 10

2005 / 2006 482 78 22 110 0,06 23 5 18 0,02 4

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Chapitre 6. .Les résultats du suivi du bilan hydro-sédimentaire, caractérisation du fonctionnement global de l'aménagement

59

puis infiltrés dans les deux parcelles pour les évènements pluvieux du 2 et du 13 novembre 2004.

L'intensité de la pluie pour cette période, en mm/h, calculée sur un pas de temps de 5 minutes, est

également reportée sur la même figure.

Remplissage et infiltration dans les deux canaux en novembre 2004

0

30

60

90

120

150

180

210

240

01-nov-04 06-nov-04 11-nov-04 16-nov-04 21-nov-04 26-nov-04

Inte

nsité

de

plui

e (m

m/h

)

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Vol

umes

sto

ckés

(m3 )

Intensité de pluie (mm/h) Vol. "Jachère" (m3) Vol. "Labour" (m3)

Fig. II-15. Volumes stockés en novembre 2004, dans les canaux des deux parcelles (modalité "jachère" en noir et modalité "labour" en vert).

Nous avons calculé la vitesse de l’infiltration journalière dans chaque modalité après avoir

déduit l'évaporation mesurée sur un bac classe A enterré type ORSTOM.

La figure (II-16) met en relation la vitesse d’infiltration et la hauteur d’eau dans le canal pré banquette

pour les deux modalités.

Infiltration en fonction du niveau de l'eau dans les canaux des deux parcelles

y = 0.47x

R2 = 0.92

y = 0.05x

R2 = 0.76

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

Hauteur de l'eau dans le canal (cm)

Infil

tratio

n (c

m/jo

ur)

Infiltration "Labour" (cm/j)

Infiltration "Jachère" (cm/j)

Fig. II-16. Relation entre la vitesse de l’infiltration et la hauteur d’eau dans le canal pré

banquette pour les deux modalités

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PARTIE II. APPROCHE EXPERIMENTALE

60

On remarque une capacité d’infiltration beaucoup plus forte sur le canal de la modalité

"labour" dont l’entretien n’est pourtant pas différent de la modalité "jachère" (le labour n'est pas

effectué au niveau du canal). Les observations de terrain montrent une activité de la méso faune du sol

beaucoup plus importante dans le talus et dans le canal de cette modalité, liée très probablement aux

résidus de la culture sur l’inter-banquettes avant la mise en place de cette parcelle. Les résidus

végétaux s'accumulent avec le ruissellement dans le canal pré-banquette.

6.2. Les bilans en sédiments

6.2.1. Mesures topographiques effectuées par théodolite laser

Le site de l’étude est équipé d’une station repère qui sert d'origine aux mesures

topographiques. Elle est matérialisée par un piquet métallique, trois bornes de référence bétonnées de

coordonnées connues par rapport à l'origine complètent le dispositif de référencement spatial. Lors du

levé topographique, le tachéomètre laser est positionné au dessus de la borne de la station repère. Les

points de référence sont nivelés au début et la fin de chaque levé. La direction de la première borne de

référence est prise comme origine des mesures angulaires horizontales (azimuts).

6666....2222....1111....1111.... Protocole des levés topographiques effectuésProtocole des levés topographiques effectuésProtocole des levés topographiques effectuésProtocole des levés topographiques effectués

Les levés topographiques des canaux dans les deux parcelles ont été réalisés durant la

première année de mesure. Un levé de l’ensemble : (espace inter-banquettes, canal et banquette), est

réalisé une fois par an. Le calendrier des campagnes des levés topographiques effectués est le suivant :

1. Juillet 2004 :

a. Nivellement fin du canal et de l’inter-banquettes pour la parcelle en jachère.

b. Nivellement fin du canal et levé général de l’inter-banquettes pour la parcelle labourée.

2. Septembre 2004 : Nivellement fin des deux canaux.

3. Décembre 2004 : Nivellement fin des deux canaux.

4. Juillet 2005 : Idem Juillet 2004.

Le premier nivellement de juillet 2004 a permis de définir la géométrie des parcelles, leurs

surfaces et leurs pentes. Ces informations ont servi pour déterminer les dimensions des ouvrages et la

cote du déversoir des stations de mesure décrites plus haut. Le dernier nivellement de Juillet 2005 a été

réalisé pour vérifier qu'aucune déformation majeure n'était intervenue.

6666....2222....1111....2222.... Bilans des mesures topographiquesBilans des mesures topographiquesBilans des mesures topographiquesBilans des mesures topographiques

Le suivi des levés topographiques du canal de chaque parcelle a permis d’établir les bilans

sédimentaires successifs relatifs aux principaux événements pluvieux. En fait, un levé topographique a

été effectué après chaque épisode ruisselant rapportant des dépôts observables dans le canal. Le

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Chapitre 6. .Les résultats du suivi du bilan hydro-sédimentaire, caractérisation du fonctionnement global de l'aménagement

61

masque utilisé pour limiter la partie du canal où s'opère l’accumulation des sédiments a été évalué sur

le terrain. Il délimite une aire caractérisant le fond du canal, siège des dépôts (figure II-17). Ce masque

a une largeur d'environ 2 m, et correspond à une surface de 100 m² pour la modalité "jachère" et de 90

m² pour la modalité "labour".

Fig. II-17. Représentation de la zone du suivi topographique et celle du calcul du bilan

sédimentaire (masque) dans le canal de la parcelle labourée

Les mesures de la masse volumique qui permettent le passage des volumes à la masse de

sédiments, ont été effectuées pour la couche supérieure du sol dans le canal (0 à 10 cm). En fait, lors

de chaque levé topographique, des échantillons de sol ont été prélevés sur les sédiments déposés pour

mesurer au laboratoire leur masse volumique. La moyenne de ces mesures a servi au calcul du bilan

sédimentaire massique (tableau II-5).

Les tableaux (II-6 et II-7) présentent les données de bilans successifs (ablation / dépôts) et les

résultats du calcul des bilans massiques de la perte en terre dans les deux parcelles pendant la première

année de mesures. Dans ces deux tableaux, les significations des abréviations sont les suivantes :

Ha, Lr : La pluie et le ruissellement en [mm] respectivement;

Vp : Le volume positif qui représente le dépôt des sédiments dans le canal [m3];

Vn : Le volume négatif qui représente l'ablation dans le canal [m3];

Vr : Le volume résiduel, est égal à la différence entre (Vp) et (Vn) et représente l'érosion

de la parcelle [m3];

Da : La masse volumique moyenne des sédiments [t/m3];

Em : L'érosion massique de la parcelle [t].

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PARTIE II. APPROCHE EXPERIMENTALE

62

Tableau II-6. Les bilans sédimentaires successifs de la parcelle en jachère dans la première année de mesures

Période Ha (mm)

Lr (mm)

Vp (m3)

Vn (m3)

Vr (m3)

Da (t/m3)

Em (t)

Juillet – septembre 2004 44 0 + 0,99 - 1,36 - 0,37≈0 1,40 - 0,52≈0

Octobre – décembre 2004 120 57 + 2,04 - 0,47 + 1,56 1,45 2,26

Janvier – juillet 2005 290 67 + 2,78 - 0,22 + 2,56 1,23 3,15

Bilan total de la période:

Juillet 2004– juillet 2005 454 124 + 3,88 - 0,13 + 3,75 1,23 4,61

Tableau II-7. Les bilans sédimentaires successifs de la parcelle labourée dans la première année de mesures

Période Ha

(mm) Lr

(mm) Vp (m3)

Vn (m3)

Vr (m3)

Da (t/m3)

Em (t)

Juillet – septembre 2004 44 0 + 1,39 - 2,09 - 0,70≈0 1,30 - 0,91≈0

Octobre – décembre 2004 120 30 + 2,12 - 0,41 + 1,71 1,27 2,17

Janvier – juillet 2005 290 11 + 1,50 - 0,48 + 1,02 1,26 1,29

Bilan total de la période:

Juillet 2004 – juillet 2005 454 41 + 2,84 - 0,81 + 2,03 1,26 2,56

Durant la première période (juillet - septembre 2004), aucun ruissellement n’a été observé le

volume en sédiment peut être considéré comme nul. Les faibles valeurs négatives correspondantes

peuvent être dues à un tassement suite aux dessiccations estivales. Il est aussi possible que le calcul

d'un bilan négatif soit lié à une imprécision de la méthode de mesure et d'extrapolation spatiale. Une

évaluation de l'exactitude de cette méthode est primordiale avant l'analyse des bilans sédimentaires

successifs établis pour les deux modalités. Cette évaluation permet de juger la pertinence de prendre

en considération les bilans successifs ou de se contenter du bilan total établi (juillet 04 – juillet 05).

6666....2222....1111....3333.... PPPPrécision de la méthode du calcul des MNT par levés topographiques récision de la méthode du calcul des MNT par levés topographiques récision de la méthode du calcul des MNT par levés topographiques récision de la méthode du calcul des MNT par levés topographiques

Nous avons estimé l’incertitude qui exprime l’erreur maximum du calcul du MNT lors de

chaque relevé. Cette incertitude (I) est de l’ordre de 0,005 m sur la cote moyenne de MNT pour un

intervalle de confiance 95%. Rappelons que la zone du suivi du bilan sédimentaire (limité par le

masque) dans le canal de la modalité "jachère", a une superficie de 100 m², cette incertitude

correspond donc à ± 0,50 m3. Dans le canal de la modalité "labour" (90 m²), l'incertitude correspond à

± 0,45 m3. Ces limites de confiances des volumes calculés sont presque du même ordre de grandeur

que celui des sédiments apportés par une crue.

Cette précision montre que, pour les évènements mesurés sur ce site et durant cette période, la

méthode par nivellement topographique du canal ne peut pas s’appliquer de manière fiable pour

quantifier l’érosion par événement.

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Chapitre 6. .Les résultats du suivi du bilan hydro-sédimentaire, caractérisation du fonctionnement global de l'aménagement

63

L'incertitude du calcul du MNT apparaît relativement élevée par rapport aux dépôts mesurés.

L'erreur sur la cote est estimée à 5 mm. La cote moyenne du canal est de l'ordre de 5 m et la cote de la

station de mesures est de l'ordre de 10 m. On mesure donc un dénivelé de 5000 mm. Par conséquent,

les cotes des points levés sont estimées avec une précision de 1/1000. Cela signifie que la méthode est

assez précise, mais même avec une telle précision, elle n'est pas adaptée pour l'objectif recherché.

Cela a amené à prévoir une autre méthode de levés des dépôts sédimentaires pour la deuxième

année d'observation. Nous avons installé des piquets de fer sur un maillage régulier dans les canaux.

Un levé manuel permet de repérer l'épaisseur des sédiments accumulés en mesurant la distance entre le

sommet du piquet et la surface du sol. Ce levé permet aussi de déterminer un MNT représentant la

surface du sol à chaque mesure.

6.2.2. Mesures manuelles, levés des piquets installés dans les canaux

Ces mesures ont été effectuées dès la mise en place des piquets dans les deux canaux en

octobre 2005 selon le calendrier suivant :

1. Octobre 2005 :

a. Installation des piquets.

b. Levé des piquets dans le canal de chaque parcelle (levé initial).

2. Décembre 2005 : Levé des piquets de canal " Jachère".

3. Février 2006 : Idem décembre 2005.

4. Juillet 2006 : Levé des piquets dans le canal de chaque parcelle.

On note que dans la parcelle labourée, seulement deux levés des piquets ont été effectués

pendant la deuxième année d'observation en raison du faible ruissellement observé sur cette parcelle

au cours de la deuxième année de mesures.

6666....2222....2222....1111.... Bilans des mesures manuellBilans des mesures manuellBilans des mesures manuellBilans des mesures manuelleseseses

Les résultats du suivi des bilans sédimentaires par levé des piquets sont rapportés dans les

tableaux (II-8 et II-9) pour les deux parcelles.

Tableau II-8. Bilans en sédiments, issus des levés manuels, dans la parcelle en jachère

Période Ha

(mm) Lr

(mm) Vp

(m3) Vn

(m3) Vr

(m3) Da

(t/m3) Em (t)

Octobre – décembre 2005 23 19 0,35 0,30 0,05 1,41 0,071

Janvier 2005 – février 2006 224 66 0,56 0,07 0,49 1,39 0,696

Mars 2006 – juillet 2006 101 6 0,82 0,27 0,55 1,42 0,78

Bilan total de la période:

Octobre 2005 – juillet 2006 348 91 1,73 0,64 1,09 1,42 1,55

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PARTIE II. APPROCHE EXPERIMENTALE

64

Tableau II-9. Bilans en sédiments, issus des levés manuels, dans la parcelle labourée

Période Ha

(mm) Lr

(mm) Vp

(m3) Vn

(m3) Vr

(m3) Da

(t/m3) Em (t)

Bilan total de la période:

Octobre 2005 – juillet 2006 348 18 1,34 0,64 0,70 1,32 0,92

Dans la parcelle en jachère, les volumes des dépôts issus des MNT successifs sont

relativement faibles durant cette deuxième année de mesures. N’ayant pas observé de débordement,

les matières en suspension transportées n’ont pas pu quitter le canal. Cette baisse des bilans en

sédiments par rapport à la période précédente est liée aux caractéristiques des événements pluvieux

moins intenses (moins de détachement) et celles de ruissellements moins importants (transports plus

faibles).

6666....2222....2222....2222.... Précision de la méthode du calcul des MNT par levés manuels des piquetsPrécision de la méthode du calcul des MNT par levés manuels des piquetsPrécision de la méthode du calcul des MNT par levés manuels des piquetsPrécision de la méthode du calcul des MNT par levés manuels des piquets

Lors de l’une des mesures manuelles des piquets, on a procédé à 5 lectures de la hauteur de

chaque piquet. Nous avons réalisé une analyse de la variance sur ces lectures (825 mesures). Cette

analyse montre que l’incertitude sur la cote moyenne de MNT issu de ce relevé manuel est de l’ordre

de 0,002 m pour un intervalle de confiance 95%. Ce qui correspond respectivement à ± 0,20 m3 et à ±

0,18 m3 de sédiments dans le canal de la modalité "jachère" et de celle Labour. Bien que, l'on ne

possède pas cinq répétitions pour tous les levés manuels, nous avons considéré la précision estimée

représentative de celle de la méthode de levés manuels des piquets.

6666....2222....2222....3333.... Qualité des mesures parQualité des mesures parQualité des mesures parQualité des mesures par levés topographiques et levés manuels levés topographiques et levés manuels levés topographiques et levés manuels levés topographiques et levés manuels

L'estimation de l'incertitude et des limites de confiance de deux méthodes montrent que la

précision de la méthode des levés manuels est meilleure que de celle des levés topographiques par le

théodolite laser (elle est plus précise de 40% sur la modalité "jachère" et de 45% sur la modalité

"travaillé"). Cependant, pour les deux méthodes il faut que le dépôt dans le canal soit suffisamment

volumineux pour que la mesure soit significative puisque l'erreur qui est commise est indépendante du

dépôt mesuré. Par conséquent, plus ce dépôt est important, plus la mesure est précise. Ainsi il est

possible de donner, à partir de nos mesures et à (p=0,05), une valeur des pertes en terre pour la

première période totale (Juillet 2004 et Juillet 2005) avec la précision des mesures au tachéomètre et

une valeur pour la seconde période (octobre 2005 à Juillet 2006) avec la précision des mesures sur les

piquets.

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Chapitre 6. .Les résultats du suivi du bilan hydro-sédimentaire, caractérisation du fonctionnement global de l'aménagement

65

6.3. Le bilan hydro-sédimentaire des deux modalités

Pour interpréter la variation des bilans sédimentaires, entre les deux modalités et entre les

deux années de mesures, nous mettons en relation le suivi de l'érosion avec les observations

hydrologiques. Le tableau (II-10) récapitule les bilans en eau et ceux en sédiments. Les pertes en terre

sont rapportées au mm de pluie et au mm de ruissellement dans les deux parcelles dans les deux

dernières lignes du tableau. Ces bilans ont été calculés pour les deux périodes de mesures sans aucune

lacune pendant les deux années d’observation.

Tableau II-10. Bilans hydro-sédimentaires dans les deux parcelles pendant deux années d'observation; (Période 1: de Juillet 004 à Juillet 005, Période 2: d'Octobre 005 à Juillet 006).

Ce tableau montre que :

1. Dans les deux périodes de mesures, l'érosion dans la modalité "labour" est inférieure à celle

dans la modalité "jachère"; le travail du sol dans l'inter-banquettes a réduit l'érosion de 44%

entre juillet 04 et juillet 05 et de 50% entre octobre 05 et juillet 06;

2. Dans les deux parcelles, l'érosion totale est largement inférieure au cours de la deuxième

année. Cette différence est à rapprocher de celle décrite pour les agents de l'érosion : pluie et

ruissellement, (tableau II-5);

3. L’érosivité de la pluie (érosion / pluie) est environ deux fois plus importante dans la première

période de mesure sur les deux parcelles. Ceci est essentiellement lié aux caractéristiques de

l'intensité de la pluie, présentées plus haut, dans cette première période.

4. Cette érosivité de pluie est plus forte sur la parcelle en jachère dans les deux périodes (environ

deux fois). Par contre, l’érosivité du ruissellement (érosion / lame ruisselée) est plus forte sur

la parcelle labourée : multiplié par 1,7 pour la première période et par 2,5 pour la seconde

période.

* L'incertitude sur la pluie ainsi celle sur la masse volumique sont considérées négligeables.

Parcelle en jachère Parcelle labourée

Période 1 Période 2 Période 1 Période 2

Pluie* (mm) 454 348 454 348

Ruissellement (mm) 124 ± 6 91 ± 5 41 ± 2 18 ± 1

Erosion spécifique (t/ha) 16 ± 2 6 ± 1 9 ± 2 3 ± 1

Erosivité de pluie (kg/mm/ha) 35 ± 5 17 ± 3 20 ± 4 9 ± 2

Erosivité de ruissellement (kg/mm/ha) 129 ± 22 66 ± 15 220 ± 60 167 ± 65

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PARTIE II. APPROCHE EXPERIMENTALE

66

5. Pour les deux périodes de mesure et quelle que soit la méthode du suivi utilisée (manuel ou

topographique), les résultats montrent l’ambivalence des facteurs de l’érosion. Bien que le

labour fragilise les sols, il limite l’érosion en favorisant l’infiltration. Cette ambivalence a été

notée également par (Cerdan et al., 2001) en ce qui concerne le rôle du développement des

croûtes en grandes cultures des milieux tempérés.

Synthèse et conclusion de la partie expérimentale

Le dispositif expérimental présenté dans cette partie a permis de mesurer les bilans hydro-

sédimentaires dans un espace inter-banquettes. Il a fourni des références quantitatives sur le

ruissellement et l’érosion pour l'aménagement étudié et dans deux modalités d'un système de culture

très répandu sur les versants méditerranéens semi-arides.

L'étude expérimentale a mis en évidence l’importance du mode d’occupation du sol sur les

processus de ruissellement et d’érosion. Nous avons vu que la pratique "labour" amenait une

diminution très nette du volume ruisselé. L’érosion du sol sur cette modalité est inférieure, parce que

le ruissellement y est beaucoup plus faible. Par contre, si le ruissellement était le même les départs en

sol y seraient très importants. La baisse du bilan érosif s’explique uniquement par une moindre

aptitude au ruissellement. En effet, le labour augmente temporairement la porosité de sol mais diminue

sa cohésion.

Pendant la période de l'observation, le bon fonctionnement des banquettes s'est révélé lors de

deux événements pluviaux les plus importants (tableau II-3);

(i) Le premier est celui du 2 novembre 2004, caractérisé par une très forte intensité de pluie

(137 mm/h). Cet événement a provoqué un fort ruissellement d'une vitesse maximale

d'environ 143 mm/h sur la jachère. Le coefficient de ruissellement a été évalué à 85%.

(ii) Le deuxième est l'événement décennal du 8 février 2005 avec 95 mm de pluie

journalière. Cet événement a apporté un fort ruissellement d'environ 52 mm sur la

jachère.

En effet, l'élément de banquette aval du site a freiné et retenu, sans rupture, les forts

ruissellements provoqués par ces deux événements et ceci sur les deux modalités. Le labour en courbe

de niveau dans l'inter-banquettes a eu, en plus, un effet modérateur important sur les deux évènements

mais de manière encore plus significative sur le second caractérisé par un fort volume précipité mais

avec des intensités plus faibles.

• Pour ces évènements on peut affirmer que le labour sur ce type de sol limite l'érosion.

Il reste à vérifier ces tendances à long terme et lors de pluies encore plus

exceptionnelles.

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Chapitre 6. .Les résultats du suivi du bilan hydro-sédimentaire, caractérisation du fonctionnement global de l'aménagement

67

• La réduction de l'érosion par le travail du sol dans l'inter-banquettes, réduit

l'envasement du canal. Ceci pourrait augmenter la durée de vie de la banquette. et

améliorer l'efficacité de cet aménagement.

• L’échelle choisie dans cette étude permet d’appréhender les processus du

ruissellement et de l’érosion dans les espaces inter-banquettes ainsi que ceux

d’infiltration dans le canal de la banquette. Elle permet de caractériser le

fonctionnement global de cet aménagement à l’échelle de la parcelle. C’est un premier

pas vers l’analyse de l’impact des banquettes sur l’hydrologie de versant aménagé.

Lorsque les banquettes sont à rétention totale et que l’on n’assiste pas à des

débordements ou à des ruptures de digues, les transferts d’eau et de sédiments restent

limités aux espaces inter-banquettes et l’étude est facilement transposable. Pour cela,

il faut concevoir une modélisation capable de simuler les flux de ruissellement et

d’érosion en fonction des données pluviométriques mais aussi en fonction des

caractères morphologiques et hydrophysiques du versant.

• Dans cet objectif, parallèlement aux observations hydro météorologiques, des

opérations de caractérisation du sol ont été menées. Elles seront abordées et

interprétées dans la partie suivante de ce mémoire.

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PARTIE III. APPROCHE NUMERIQUE

ette partie traite de la modélisation mécaniste du fonctionnement hydro-sédimentaire d'un

aménagement de versant en banquettes à rétention totale. Le septième chapitre donne un bref

aperçu bibliographique sur la modélisation du ruissellement et de l’érosion hydrique. Le huitième

chapitre est consacré à la conceptualisation des processus mis en jeu à l'échelle de notre étude et au

choix des modèles pour décrire le ruissellement et l'érosion dans l'espace inter-banquettes d'une part et

l'infiltration, l'évaporation et le dépôt dans le canal pré-banquette d'autre part. Dans les deux chapitres

suivants sont exposées les expérimentations complémentaires au suivi hydro-sédimentaire et conçues

pour paramétrer ces modèles. La modélisation effectuée est présentée dans le onzième chapitre. Ce

dernier chapitre est suivi d’une discussion en guise de conclusion sur les résultats de la modélisation

effectuée.

Chapitre 7. Généralité et aperçu historique sur la modélisation du

ruissellement et de l'érosion

A partir d'un travail bibliographique ce chapitre présente un historique et les tendances de la

modélisation de l'infiltration, du ruissellement, et de l'érosion. Il donne les équations qui décrivent ces

processus permettant de décrire par leur enchaînement le bilan hydro-sédimentaire d'un aménagement

en banquettes.

7.1. Enjeu de modélisation

La modélisation hydrologique est un outil important pour concevoir des aménagements de

versants dans un objectif de conservation de l’eau et du sol. Elle doit permettre de dimensionner ces

ouvrages et simuler leur fonctionnement et leurs impacts sur les ressources en eau et en sol. D'après

Nord (2006) les modèles de ruissellement et d’érosion vont devenir des outils très utiles pour gérer les

ressources en eau et en sédiments.

Lane et al., (1988) ont montré que la complexité des processus du ruissellement et de l'érosion

hydrique mène au besoin d’établir des modèles décrivant ces processus et utilisables comme outils

dans la gestion des ressources naturelles.

L'enjeu dans notre cas (étude du fonctionnement des banquettes), est de concevoir une

modélisation permettant de mieux raisonner le choix, et le dimensionnement d'un aménagement en

banquettes anti-érosives. Autrement dit de représenter le fonctionnement de cet aménagement tout en

C

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Chapitre 7.Généralité et aperçu historique sur la modélisation du ruissellement et de l'érosion

69

simulant de manière plausible son impact.

7.2. Aperçu sur l'évolution de la modélisation du ruissellement et de

l’érosion hydrique

Les premières recherches scientifiques sur des parcelles d’érosion ont lieu en 1890 en

Allemagne (Roose, 2001). Mais l’étude systématique des facteurs de l’érosion n’a pris un réel essor

qu’en 1930 avec Bennette aux Etats-Unis (Roose & De Noni, 1998). Les processus de l'érosion ont été

décrits depuis les années 1940 et représentés par des équations avant les années 1960 (Lane et al.,

1995).

Ces dernières décennies, la modélisation de l’érosion hydrique a été bien développée.

Cependant, les premiers modèles utilisés étaient des modèles empiriques établis à partir de mesures

ponctuelles sur parcelles expérimentales (présentées plus haut). Le modèle USLE (dit équation

universelle des pertes en terre) proposé par Wischmeier et Smith (1978) a été largement appliqué pour

estimer l'érosion des sols dans différentes régions du monde. Il prévoit le taux moyen annuel d’érosion

à long terme en fonction de la configuration des pluies, du type de sol, de la topographie, de

l’assolement et des pratiques de gestion des cultures (Wall et al., 2002). Des critiques sont adressées à

l'utilisation abusive de l'USLE dans des conditions autres que celles où il a été élaboré (INRS-Eau,

1999*). Des modèles empiriques plus récents reposant également sur l'utilisation des facteurs du

modèle USLE ont été élaborés: MUSLE (Williams, 1975) et RUSLE (Renard, 1991). Ils sont des

versions révisées de l'USLE. Ces modèles ont été conçus pour estimer la perte de sol à long terme. Ils

sont considérés généralement comme des approches globales sans grande signification physique ou

comme des «boîtes noires» n'incluant pas une représentation explicite des processus de l’érosion.

Les processus hydrologiques et sédimentaires sont très hétérogènes et leur description

nécessite une approche déterministe la plus proche possible de bases physiques permettant de

caractériser leur manifestation dans le temps et dans l'espace. Les recherches en modélisation se sont

donc tournées vers une approche basée sur la description des processus physiques au travers de

modèles mathématiques (Cerdan, 2001). Les modèles physiques sont applicables dans des conditions

différentes de celles où ils ont été développés (Nunes et al., 2001). Les modèles qui représentent

l’ensemble du fonctionnement hydrologique d’un bassin versant par un couplage des différents

modèles physiques partiels sont apparus dans les années 1980 (Ambroise, 1999). Pour tous les

modèles qui veulent représenter physiquement les fonctionnements des hydrosystèmes, la variabilité

spatiale est très importante. Brath et Montanari (2000) ont montré que les expressions «modèles à

* URL: http://www.inrs-ete.uquebec.ca/activites/modeles/gibsi/francais/simulation.htm

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PARTIE III. APPROCHE NUMERIQUE

70

bases physiques» et «modèles distribués» sont souvent utilisées comme synonymes.

Entre les modèles empiriques et ces modèles physiques on peut avoir recours à des modèles

conceptuels. Ils sont basés sur une forme globale particulière de l’équation de continuité pour l’eau et

les sédiments et sur d'autres relations empiriques (Lane et al., 1988). Or, tout en conservant des

propriétés de transposabilité, ils sont plus simples à mettre en œuvre que les modèles déterministes.

7.3. La modélisation mécaniste du ruissellement et de l’érosion

hydrique

Le développement des modèles physiques s’appuie sur la base des formulations

mathématiques représentant les processus hydrologiques et érosifs. Ces modèles utilisent en général

les lois et les principes de la mécanique des milieux continus; les équations de la conservation de la

matière et de la conservation de la quantité de mouvement.

Singh et Prasad (1982) in (Lane et al., 1988) ont avancé ces modèles en formulant des

équations différentielles partielles pour décrire les flux de l’eau et l'érosion. Ils en ont ensuite présenté

des solutions analytiques. Ces solutions s'appliquent pour un cas spécial, de pluie et d'infiltration

constantes et uniformes: cas où l'excès de pluie est constant et uniforme. Ces solutions imposent

certaines simplifications car elles s’appliquent sous des conditions très simplifiées, ce qui n’est pas le

cas dans la nature.

L'évolution récente dans le domaine de l’informatique et de l’ordinateur permet d'accroitre le

nombre de calculs et de résoudre numériquement des équations différentielles dont les solutions

analytiques sont très complexes et/ou pas connues. De nombreuses méthodes numériques permettent

la résolution de ces équations. Selon Musy et Soutter (1991), les différences finies et les éléments

finis, sont parmi les plus utilisées, la première consiste en une discrétisation de l’équation différentielle

aux dérivées partielles. Elle ne fournit qu'une solution pour quelques points discrets du domaine de

l’écoulement. La méthode des éléments finis consiste à mettre en place un algorithme discret

mathématique permettant de résoudre une équation aux dérivées partielles sur un domaine compact

avec conditions aux bornes et/ou dans l'intérieur du compact (Musy & Soutter, 1991). Elle revient à

"discrétiser" l’équation différentielle et obtenir la solution sur "quelques points" qui sont les sommets

des éléments. Elle a un avantage sur les différences finies où le domaine doit être de forme

rectangulaire : elle permet de considérer des domaines à géométrie complexe. Elle a aussi les

avantages de flexibilité, la généralité et la cohérence, comparée à d'autres méthodes numériques

(Sharda & Nearing, 1999). En revanche, son inconvénient est le fait que la structure du système

discrétisé résultant est plus compliquée et pose plus de problèmes de stabilité et de convergence de la

solution du système.

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Chapitre 7.Généralité et aperçu historique sur la modélisation du ruissellement et de l'érosion

71

7.3.1. L'échelle et la représentation des processus

Selon l'échelle de temps, les modèles peuvent être classés en deux catégories principales: (i)

les modèles événementiels qui simulent le cycle de l’eau et des flux associés pour une seule averse ou

un épisode pluvieux; (ii) les modèles continus qui simulent ces flux pendant de plus longues durées

qui, généralement, comportent plusieurs épisodes. Le premier type demande que les conditions

initiales précises soient paramétrées ou mesurées au début de chaque événement simulé. Alors que

pour les modèles de deuxième catégorie, ces conditions sont paramétrées seulement au début de la

simulation. Cependant, on devrait tenir compte des variations saisonnières des propriétés du sol lors

des simulations à l'échelle annuelle.

Plusieurs échelles spatiales sont aussi utilisées, depuis la globalité du bassin versant en passant

par le versant hydrologique et la parcelle jusqu'à l'échelle locale d'un mètre carré ou d'un profil du sol.

Les modèles globaux considèrent le bassin versant comme un ensemble sans distinction spatiale. Les

variables d'entrée, les paramètres et les processus sont considérés comme identiques sur l'ensemble du

bassin (Singh, 1995). A l'inverse, les modèles spatialisés représentent le bassin versant comme une

association d'entités plus petites considérées homogènes (Blöschl & Sivapalan, 1995).

Le principal inconvénient des modèles physiques spatialisés est la complexité en termes de

processus reproduits et le nombre de sous-unités considérées. Ce qui conduit à une inflation du

nombre de paramètres.

Le problème de "l'échelle" est devenu un point central de la modélisation de l'érosion du sol

parce que ses processus et leurs interactions changent selon l'échelle (Kinnell, 1993). Ce problème est

considéré comme l'une des conséquences des caractéristiques non-linéaires de ces processus (Indarto,

2002). Lane et al., (1995) ont aussi montré que les interactions de processus de l'érosion avec le sol, la

végétation, la couverture de surface et les facteurs topographiques des versants changent avec le

temps, l'espace, et selon les échelles. Blöschl & Sivapalan, (1995) ont souligné l'importance de

prendre en compte les différences de fonctionnement des systèmes hydrologiques lorsqu’on change

d’échelle spatiale. Les mêmes auteurs ont distingué entre "l'échelle des processus" et "l'échelle de

l'observation". La première notion dépend de la variabilité naturelle du phénomène. On ne peut donc

pas la contrôler. Cependant on peut choisir l'échelle de l'observation dans les limites de la disponibilité

des techniques de mesures. D'après Varado, (2004), dans le même modèle, le même phénomène est

décrit différemment selon l'échelle envisagée et cette représentation pourrait être qualifiée, selon le

cas, de "conceptuelle" ou " à bases physiques".

La plupart des modèles du flux de l'eau et des sédiments fonctionnent aux grands pas de temps

(à l’échelle journalière par ex.) en raison de la disponibilité de données. Pourtant, ces modèles sont

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PARTIE III. APPROCHE NUMERIQUE

72

incapables de saisir adéquatement les mécanismes du ruissellement et de l'érosion qui sont directement

liés à ce qui se passe durant l'événement à une échelle de temps plus proche de la minute que de la

journée (Kandel et al., 2004).

L’étude de la relation entre l'échelle de la modélisation et celle des processus individuels, a

mis en évidence la forte variabilité spatiale des paramètres qui gouvernent les différents processus

(Vazquez et al., 2002). Cette variabilité est considérée comme raison fondamentale de la mauvaise ou

modeste capacité de prévision des modèles de l’érosion (Van de Giesen et al., 2002). Renschler et al.,

(2001) ont noté également que l'agrégation spatiale de données d'entrée comme l'analyse et la

production du modèle (données de sortie), dépendent de l'échelle à laquelle le modèle est conçu pour

fonctionner.

7.3.2. Prise en compte des fonctions de production et de transfert

A toutes les échelles de temps et d'espace auxquelles on voudrait représenter des bilans en eau

et en sédiments il faut distinguer :

- d'une part la production instantanée et locale d'une lame ruisselée et de particules de sol

détachées

- d'autre part leur transfert dans l'espace par les lois de la gravité et celles de la mécanique

des fluides, et dans le temps en fonction de la vitesse de l'écoulement.

La modélisation va donc distinguer une fonction de production et une fonction de transfert

pour l'eau et pour les sédiments. Ces deux fonctions interagissent l'une sur l'autre même si par

commodité elles sont exprimées séparément.

Les recherches bibliographiques nous ont conduit à présenter d'une part les fonctions de

production et de transfert du ruissellement séparément, puis de manière combinée la production et le

transfert des matières solides.

7777....3333....2222....1111.... Production du ruissellement: modélisation physique des processus de Production du ruissellement: modélisation physique des processus de Production du ruissellement: modélisation physique des processus de Production du ruissellement: modélisation physique des processus de

l’infiltration l’infiltration l’infiltration l’infiltration

Suivant la théorie de Horton présentée plus haut, le ruissellement est la part de la pluie qui ne

peut pas s'infiltrer.

L’eau pénètre dans le sol sous l’action de la gravité et des forces de succion. L'écoulement

dans le sol est régi par les équations hydrodynamiques. Il est limité par l’infiltrabilité locale de la

surface qui est proportionnelle à la conductivité hydraulique et au gradient de potentiel hydraulique

total (gravitaire et matriciel) en surface (Ambroise, 1999). La redistribution d’eau dans le sol dépend

donc des conditions d’humidité, de la pression d’eau et de la perméabilité dans la zone non saturée

(Ngnepieba et al., 2002).

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Chapitre 7.Généralité et aperçu historique sur la modélisation du ruissellement et de l'érosion

73

La modélisation des flux d'eau dans la zone non saturée utilise des méthodes et des techniques

de la physique du sol fondées sur l'équation de Richards (Sun et al., 2001; Soria-Ugalde, 2003).

L’écoulement de l’eau dans la zone non saturée du sol est décrit par la combinaison de

l’équation de continuité (III-1) et de l’équation de Darcy (1856) généralisée au milieu non saturé (III-

2);

∂∂+

∂∂

+∂∂

−=−=∂∂ →

z

q

y

q

x

qqdiv

tzyxθ

......................................... (III-1)

)()( HhKq→→∇−= ....................................................................(III-2)

L'équation (III-1) traduit la conservation de la masse dans le sol; la différence entre le flux

d’entrée et le flux de sortie est égale à la variation de teneur en eau θ [L 3.L-3] dans l’unité de volume

considérée. t est le temps [T].

L'équation généralisée de Darcy, lie le flux d’eau dans un point considéré q [L.T -1] à la

conductivité hydraulique k [L.T -1] et à la charge hydraulique dans le milieu poreux: H exprimées en

unité de longueur [L]

� Le modèle de Richards

La combinaison des deux équations (III-1 et 2) conduit à l’équation (III-3) de Richards (1931)

qui décrit l’écoulement non saturé de l’eau dans le sol . Dans le cas d’un écoulement vertical cette

équation s’écrit :

Uz

HhK

zt−

∂∂

∂∂=

∂∂

)(θ

............................................................. (III-3)

Le terme puits, U [T-1], a été rajouté à cette combinaison pour pouvoir répresenter la

nutrition hydrique de la plante. Il correspond souvent à l'extraction racinaire.

L’intégration de cette équation sur z et t, après la connaissance des conditions initiales et aux

limites, permet de déterminer le profil spatio-temporel de la teneur en eau( )tz,θ .

L'équation de Richards est communément adoptée pour décrire les infiltrations d'eau dans les

sols non saturés à différentes échelles (Varado, 2004). La détermination de ses paramètres nécessite la

connaissance détaillée des caractéristiques du sol. Plusieurs solutions ont été proposées pour cette

équation soit par des méthodes analytiques (Philip, 1957 ; Warrick, 1991; Parlange et al., 1997) ou

numérique (Simunek et al., 1999; Ross, 2003). Quelle que soit la méthode de résolution et les

dimensions du domaine d'application (1D, 2D ou 3D), le modèle de Richards est fréquemment utilisé

dans la modélisation des processus de l'infiltration dans les sols non saturés.

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PARTIE III. APPROCHE NUMERIQUE

74

7777....3333....2222....2222.... Modélisation physique du transfert du ruissellementModélisation physique du transfert du ruissellementModélisation physique du transfert du ruissellementModélisation physique du transfert du ruissellement

Le phénomène de propagation de l’eau à surface libre, aussi bien sur les versants que dans le

réseau hydrographique, est régi par les deux équations de la mécanique des milieux continus : la

conservation de la masse, (III-4), et la conservation de la quantité de mouvement, (III-5). Les

hypothèses de base supposent un écoulement monodirectionnel, une distribution hydrostatique des

pressions et l'absence d'apports ou de pertes latéraux (Abbott, 1979; Lane et al., 1988) :

0=++x

hV

x

Vh

t

h

∂∂

∂∂

∂∂

............................................... (III-4)

0)( =−+++ SSgx

hg

x

VV

t

Vf∂

∂∂∂

∂∂

............................. (III-5)

Où :

h : Profondeur d’eau en x à l’instant t, comptée à partir du fond (hauteur de l’écoulement)

[L];

t : Temps [T];

x : Distance dans la direction du flux [L];

V : Vitesse moyenne de l’écoulement en x à l’instant t [LT-¹];

g : Accélération de la pesanteur [LT-²];

s : La pente en x [LL-¹];

sf : Pente de la ligne de charge en x à l’instant t (l’angle de friction) [LL-¹].

La combinaison de ces deux équations fondamentales de la mécanique donne le système

d'équations de Barré Saint-Venant (1871) qui décrit l’écoulement transitoire à surface libre. Il s’agit

d’un système d’équations différentielles hyperboliques qui n’admet pas de solution analytique exacte.

Pour le résoudre, des auteurs ont proposé des simplifications qui sont utilisées dans la modélisation du

transfert de l'eau à surface libre (Ambroise, 1999). Les modèles développés ont résolu ces équations

dans une seule dimension (Moussa & Bocquillon, 1996; Moussa et al., 2002) ou dans deux dimensions

(Léonard et al., 1999); Esteves et al., 2000).

Moussa (2003) reprend l’ensemble des travaux proposant des modèles simplifiés de

transformation d’une onde amont en une onde aval et tenant compte des éventuels apports

intermédiaires.

Les équations de Saint-Venant dépendent des conditions initiales à t = 0 et des conditions aux

limites amont et aval du cours d'eau, de ses caractéristiques géométriques : la longueur, la pente et la

rugosité. En fonction de l’importance relative de ces grandeurs, certains termes des équations de Saint-

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Chapitre 7.Généralité et aperçu historique sur la modélisation du ruissellement et de l'érosion

75

Venant peuvent être négligés, conduisant à une forme plus simplifiée de l’équation de propagation

d’onde (Moussa, 2003).

Lors de l'écoulement sur une surface, les termes d’accélération dans l’équation de

conservation de quantité de mouvement du système de Saint-Venant peuvent être négligés. On obtient

le modèle de l’onde diffusante (III-6), qui est une équation parabolique aux dérivées partielles de

second ordre.

02

2=

∂∂−

∂∂−

−∂

+∂∂

x

q

x

QDq

x

QC

t

Q.................................... (III-6)

Avec :

C : Célérité de l’onde fonction du débit Q [LT-¹];

D : Diffusivité de l’onde fonction du débit Q [L²T-¹];

),( txQ : Débit à l’abscisse x à l’instant t [L³T-¹];

),( txq : Débits latéraux (apports si q>0 et pertes si q<0) par unité de longueur [L²T-¹];

Dans le cas particulier où la diffusivité D est nulle, le modèle de l’onde diffusante se réduit au

modèle de l’onde cinématique.

Une autre approximation du système de Saint-Venant est celle de l'onde dynamique. Il s'agit

d'une approximation linéaire du premier ordre à un paramètre de ce système (Hubert, 2001*).

L’équation d'onde cinématique pour l'écoulement de surface par unité de largeur sur un plan

est donnée (Lane et al., 1988 ; Haque, 2002) par :

qx

Q

t

h =+∂∂

∂∂

............................................................................ (III-7)

Où:h est l'épaisseur de la couche de l'eau [L]; Qest le débit par unité de largeur [L2.T-1]; le flux

latéral q dans cette équation représente l’excès d’intensité de pluie par rapport au taux d’infiltration

dans le cas du ruissellement.

),( txQ est lié à l'épaisseur de couche de l'eau; ),( txh et donné par une formule du type :

mahQ = ...................................................................................... (III-8)

L'approximation de l'écoulement cinématique de Lighthill et Whitham (1955) cité par Haque

(2002) considère:a un paramètre de rugosité de surface et m est un coefficient d'équation de la

conservation de la quantité de mouvement.

Une des formes largement utilisée de cette formule est donnée par Manning-Strickler:

3521

hn

SQ = ............................................................................... (III-9)

* Source électronique: P. Hubert, mars 2001; http://www.cig.ensmp.fr/~hubert/glu/FRDIC/DICONDE.HTM

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PARTIE III. APPROCHE NUMERIQUE

76

Il existe des solutions analytiques de l’équation (III-7), mais elle est souvent résolue par des

méthodes numériques. Ces méthodes transforment l'équation partielle dominante en ensemble

d'équations en différences finies en utilisant un développement en séries de Taylor (Ven Te Chow et

al., 1988 en Hessel, 2002).

La précision de l’approximation du modèle de l’onde cinématique et du modèle de l’onde

diffusante en comparaison au modèle de l’onde dynamique a été largement analysée et utilisée pour la

propagation du ruissellement et surtout dans le cas de l’écoulement unidimensionnel d’eau peu

profonde (Moore & Foster, 1990; Beldring et al., 2000; Hubert, 2001; Moussa, 2003). Les principales

conclusions de cette analyse sont les suivantes:

(i) Dans l’équation de l’onde diffusante : les termes d'inertie sont négligeables par rapport

aux termes de pression, de rugosité et de gravité. Cette équation permet de décrire un

écoulement permanent et non-uniforme. Elle est intéressante pour la propagation des

fortes crues, pas ou peu débordantes, lorsque la vitesse de propagation est sensiblement

constante.

(ii) Dans l’équation de l’onde cinématique : on suppose que ss f = , c’est-à-dire que les

forces de frottement et de gravité s’équilibrent mutuellement. Les effets de pente et de

frottement sont donc négligés. Le régime de l’écoulement doit être permanent et

uniforme. La ligne d’énergie est parallèle à la surface du sol.

(iii) Dans l’équation de l’onde dynamique : tous les termes d’accélération et de pression de

l’équation de quantité de mouvement sont pris en compte. Cette équation permet de

décrire un écoulement non-permanent et non-uniforme. La ligne d’énergie et la ligne

de surface de l’eau ne sont pas forcément parallèles à la surface du sol, même à

l’intérieur d’un élément différentiel.

Dans le cas d'un ruissellement généralisé sur une surface plane et avec une pente générale

douce, qui est le cas des surfaces de sol entre les banquettes à rétention totale, on peut considérer que

l'écoulement est pratiquement permanent, avec une épaisseur très faible de la lame d'eau ruisselante.

Les simplifications permettant de considérer l'écoulement comme une onde diffusante

apparaissent appropriées à la modélisation de l'écoulement sur une surface inter-banquettes, surtout sur

la modalité "jachère" où les termes d'inertie sont négligeables par rapport aux termes de pression, de

rugosité et de gravité. Dans le cas de la modalité "travaillé" on peut émettre des réserves en ce qui

concerne le terme de rugosité qui est certainement plus important.

7777....3333....2222....3333.... Modélisation de production et transModélisation de production et transModélisation de production et transModélisation de production et transfert des matières solidesfert des matières solidesfert des matières solidesfert des matières solides

L'équation de la continuité sédimentaire, avec l’hypothèse cinématique est assez similaire à

l’équation de continuité pour l’eau (éq. III-7) concernant les termes de gauche. Pour les termes de

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Chapitre 7.Généralité et aperçu historique sur la modélisation du ruissellement et de l'érosion

77

droite, on distingue généralement un terme pour l’érosion diffuse et un pour l’érosion concentrée. Il y

a plusieurs formes de cette équation dans la littérature. On donne, par exemple, l'équation de la

continuité sédimentaire unidimensionnelle avancée par Sharda et Samra (2002) :

RIss DD

t

A

x

Q +=∂+∂∂∂

........................................................ (III-10)

Avec :

SQ : Décharge des sédiments [M.L-1.T-1];

SA : Masse des sédiments en mouvement par unité de surface [M.L-2]. Elle est donnée par :

V

QA S

S = .

ID : Taux de production des sédiments par les surfaces inter-rigoles [M.L-2.T-1];

RD : Erosion concentrée en rigoles [M.L-2.T-1].

La décharge et la vitesse de flux sont obtenues à partir de la solution des équations de Saint-

Venant en conjonction avec l'une des approximations, et l'expression de la friction de la pente selon la

loi de résistance de Manning.

L'érosion inter-rigoles ( ID ) est une fonction du taux du détachement par l'impact des gouttes

de pluie et du taux du transport du point du détachement jusqu'à la rigole par le ruissellement en nappe

de faible profondeur. Ce type d'érosion est souvent donné par des formules qui le lient à l'intensité de

pluie, aux caractéristiques du sol, son occupation et la pente de terrain (Lane et al., 1988).

L'érosion en rigole ( RD ) implique une concentration des écoulements, souvent causée par la

topographie, le couvert végétal et la protection de la surface, les motifs agraires. Les formules

proposées pour estimer ce type d'érosion, sont basées sur l’hydraulique (Foster et al., 1984) et ont été

souvent empruntée aux recherches menées sur les cours d’eau.

Les zones d’érosion diffuse et celles d’érosion concentrée sont représentées dans les modèles

soit a priori de façon arbitraire (Smith et al., 1995; Morgan et al., 1998), ou par une répartition qui

évolue dans le temps en fonction de la pente (Favis-Mortlock et al., 2000).

Dans la plupart des modèles de l'érosion à bases physiques, des formes des équations

introduites ci-dessus (III-3, 4, 5 et 10) sont résolues consécutivement à chaque pas de temps pour

calculer : le taux de l'infiltration, la profondeur de l'écoulement, sa vitesse, le débit et finalement

l'érosion du sol. L’érosion totale pour un événement correspond à l’intégration du produit Qs de

l'équation (III-10) sur la période du ruissellement.

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PARTIE III. APPROCHE NUMERIQUE

78

7.4. Discussion et conclusion

Un modèle d'érosion devrait représenter les mécanismes essentiels régissant l'érosion. Les

paramètres de ce modèle devraient être directement liés aux propriétés physiques mesurables.

Cependant, dans les conditions réelles, tous les modèles sont plus ou moins approximatifs, parce que

tous les modèles sont des abstractions et des simplifications des processus physiques réels (Lane et al.,

1988).

Tous les modèles de l'érosion, même les plus sophistiqués, exigent des données empiriques

pour déterminer les valeurs de certains paramètres comme l'érodibilité du sol (Foster, 1999).

D’après Hessel (2002), les modèles complexes, ne donnent pas toujours des prévisions

meilleures que les modèles simples pour plusieurs raisons: (i) les processus d'érosion du sol ne sont

pas tous suffisamment connus. (ii) plus le modèle est complexe plus il a besoin de données d’entrée.

Cependant, puisqu'il est souvent difficile de déterminer avec précision les paramètres d'entrée,

l'incertitude concernant l'entrée du modèle augmente avec sa complexité (Kinnell, 2005).

Les modèles physiques distribués (hydrologiques et de l’érosion) exigent une grande quantité

de données. Le manque de ces données, qui sont souvent difficiles à obtenir dans la pratique, est l'une

des raisons qui peuvent inciter les hydrologues à préférer l'application de modèles globaux malgré

leurs possibilités inférieures à décrire des processus hydrologiques (Brath & Montanari, 2000).

Le choix d’un type de modèles dépend de l’objectif et des moyens disponibles, et passe par

l’analyse et la comparaison de leurs domaines de validité et d’application. Mais en pratique, un critère

de choix important est leur coût total de mise en œuvre (Ambroise, 1999).

Elliot et al., (1989) et Sharda & Nearing (2001) ont démontré que les modèles de l’érosion

basés uniquement sur l’intensité de pluie, surestiment la perte en terre car ils ne tiennent pas compte de

l’évolution de l’infiltration et du ruissellement au cours du temps. Or, la capacité d'infiltration diminue

au cours du temps (Schoeller, 1962), d'une part parce que le potentiel capillaire diminue au fur et à

mesure que le front d'infiltration pénètre à l'intérieur du sol et d'autre part, par dégradation de l'état de

la structure à la surface du sol. La variation spatiale du taux d'infiltration peut donc jouer le rôle

dominant, au moins à l'échelle de la parcelle, sur la variation du taux de pluie effective qui engendre le

ruissellement (Rose, 2001). Lane et Singh, (1988) ont montré que l’hypothèse d'une infiltration

uniforme dans l'espace est une limitation sérieuse dans la plupart des approches actuelles de

modélisation. Il est donc primordial de prendre en compte la variation spatio-temporelle de la

dynamique de l’eau dans le sol au cours de la modélisation de l’érosion. Cette prise en compte est

effectuée par des fonctions qui permettent d'intégrer tous les processus décrivant le partage "pluie-

infiltration-ruissellement".

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Chapitre 7.Généralité et aperçu historique sur la modélisation du ruissellement et de l'érosion

79

A l’issue de cette revue bibliographique, il est possible de restreindre le champ des modèles

existants adaptés à l’objectif recherché. On s'oriente vers une modélisation à base physique pouvant

décrire les phénomènes de ruissellement et d'érosion sur un espace inter- banquette et d'infiltration

dans le canal pré-banquette. On considère que la banquette fonctionne toujours suivant un mode de

rétention total de l'eau et que toute l'érosion produite et atteignant le canal s'y dépose. On considère

donc que l'eau retenue dans le canal s'infiltre ou s'évapore mais ne coule pas vers l'aval. Cette

hypothèse a été vérifiée durant toute notre expérimentation où les déversoirs de débordement n'ont

jamais fonctionné.

Compte tenu de ces dernières remarques, nous avons opté pour un modèle de ruissellement sur

l'inter-banquettes qui est basé pour la production sur une forme simplifiée de l'équation de Richards,

pour le transfert sur l'équation de l'onde diffusante et pour l'érosion sur une équation de la forme

donnée par (III-10). Dans le canal pré-banquette nous aborderons une modélisation de l'infiltration en

deux dimensions basée sur l'équation de Richards.

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Chapitre 8. Représentation spatiale de l'aménagement et choix des

modèles

Ce chapitre propose les bases d'une représentation spatiale du fonctionnement de l'aménagement en

vue de sa modélisation. A cette fin, l'aménagement a été divisé en compartiments fonctionnels. Cette

conceptualisation est définie à la lumière de l'analyse expérimentale du fonctionnement de

l'aménagement présentée dans la seconde partie de ce mémoire. Elle a permis le choix et l'adaptation

des modèles en tenant compte des limitations évoquées dans la revue bibliographique présentée ci-

dessus.

8.1. Représentation spatiale de l'aménagement et processus associés

Nous avons vu dans la première partie de ce mémoire que l'aménagement en banquettes à

rétention totale est conçu pour des terrains à pente douce. L’érosion observée dans un espace inter-

banquettes est donc entraînée par le ruissellement diffus. Les processus de ruissellement et d'érosion

durant un événement précipitant peuvent être décrits selon les étapes suivantes : (figure III-1);

A. Production de ruissellement et de matière : la production d'eau se fait par refus à

l'infiltration lorsque l'intensité de la pluie est supérieure à la capacité d'absorption des sols.

Elle peut être décrite par l'équation de Richards (éq. III-3) ou par l'un des modèles à base

physique de l'infiltration. La matière solide provient du détachement de particules fines de

sol sous l'effet splash des gouttes de pluies ou sous l'effet abrasif des ruissellements (éq.

III-10).

B. Transfert de l'eau et des sédiments : la mise en mouvement des quantités d'eau qui

débordent des flaques et suivent la pente sous l'effet de la gravité sont représentées par

l'onde diffusante (éq. III-6). Sur la modalité jachère, le flaquage est pratiquement nul. Le

ruissellement apparaît donc dès que l’intensité de la pluie excède la capacité d’infiltration.

Le transport des matières en suspension se fait par ruissellement (éq. III-10). Vu la faible

concentration des eaux, le transport par charriage ou par saltation est négligé.

C. Accumulation de l’eau et des matières solides dernière la banquette puis évaporation,

infiltration verticale et éventuellement transfert latéral.

L'importance de chacune de ces étapes est fonction des facteurs suivants:

1) précipitations, 2) infiltration sur l'impluvium, 3) ruissellement / érosion sur l'impluvium, 4)

infiltration, évaporation, dépôt dans le canal.

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Chapitre 8. Représentation spatiale de l'aménagement et choix des modèles

81

PrécipitationsPrécipitations

Ruissellement+érosionInfiltrationInfiltration

mÉventuel flux latéraux

Accumulation eaux + sédiments

1

43

2

Fig. III-1. Schématisation des processus du ruissellement et de l'érosion sur un espace inter-

banquettes

Les étapes décrites permettent de diviser l'aménagement en trois compartiments fonctionnels

en vue d'une modélisation du bilan hydro sédimentaire:

(i) L’impluvium, siège des processus d'infiltration, de ruissellement et d’érosion.

(ii) Le canal pré-banquette où les eaux de ruissellement s’accumulent et s’infiltrent et les

sédiments se déposent.

(iii) La banquette qui sert de barrière de rétention à l’eau et aux sédiments.

Pour effectuer cette modélisation, nous avons choisi dans un premier temps la parcelle

expérimentale mise en jachère. Notre choix est justifié par le fait que les états de surface ne varient

pratiquement pas dans le temps sur cette parcelle. Par ailleurs, les mesures des paramètres

hydrodynamiques du sol y sont plus faciles. L'hypothèse sous-jacente à l'approximation de l'onde

diffusante pour résoudre l'équation de Saint-Venant paraît aussi mieux justifiée. Les hypothèses qui

ont abouti aux équations qui décrivent le transport de l’eau et des sédiments sont donc mieux vérifiées

dans cette parcelle que dans la parcelle travaillée.

8.2. Choix des modèles

Après avoir représenté l'espace à modéliser en compartiments fonctionnels, nous avons

recherché les modèles pouvant être employés dans chaque compartiment pour rendre compte des

processus : infiltration, ruissellement et érosion.

En effet, la mise en œuvre d’un seul modèle mécaniste capable de représenter tous les

processus intervenant à travers ces trois compartiments, paraît compliquée, voire impossible. On

procède donc à une simplification de la représentation du système en termes de géométrie et de

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PARTIE III. APPROCHE NUMERIQUE

82

processus. On aboutit alors à enchaîner deux modèles; le premier est un modèle de ruissellement et

d’érosion (MHYDAS-UH) sur l’espace inter-banquettes, le second est un modèle d’infiltration

(HYDRUS 2D) dans le canal et la banquette. Les deux modèles sont disponibles au laboratoire LISAH

et sont bien documentés.

8.2.1. MHYDAS-UH et son module EROSION

MHYDAS (Modélisation HYdrologique Distribuée des AgroSystèmes; UH : Unité

Hydrologique) est un modèle hydrologique distribué, qui a été développé à l'origine pour simuler les

processus de transfert d'eau en milieu agricole (Moussa et al., 2002). Le modèle a ensuite été adapté

pour simuler les processus de transfert des sédiments à l'échelle de la parcelle par G. Davy, Y. Le

Bissonnais et D. Raclot (Davy, 2006). Ce dernier modèle appliqué uniquement à l'échelle de la

parcelle et encore en chantier (Gumiere, thèse en cours) est appelé "Module Erosion de MHYDAS".

Le modèle dans son état actuel est un modèle événementiel de crue (Chahinian, 2004). Dans le

cadre de cette étude, nous utilisons la version "MHYDAS-UH", qui est appliquée à l’échelle de la

parcelle. Ce choix est motivé par le fait que l'espace inter-banquettes est considéré comme un élément

appartenant au versant et par conséquent comme une échelle de modélisation assimilée à une parcelle.

D'ailleurs, on note que très peu des modèles disponibles, sont capables de représenter les interactions

entre les écoulements de surface et les processus d’érosion à l'échelle de la parcelle (Estèves & Nord,

2003; Nord, 2006).

8888....2222....1111....1111.... Présentation de MHYDASPrésentation de MHYDASPrésentation de MHYDASPrésentation de MHYDAS----UHUHUHUH

Le module "HYDROLOGIQUE" de MHYDAS a fait l'objet de nombreux travaux et

publications (Le Forner, 2001; Moussa et al., 2002; Chahinian, 2004; Charlier; Ghesquiere: deux

thèses en cours) entre autres. La structure de ce module est rappelée brièvement ci-dessous.

Ce module propose plusieurs fonctions de production. Celles utilisant les modèles

d’infiltration 1D, sont bien adaptées pour simuler les flux d'eau à l'échelle locale de la parcelle ou de

l'unité hydrologique (Chahinian, 2004). Huit modèles d'infiltration sont disponibles pour l'utilisateur,

parmi ceux-ci les modèles dérivés de l'équation de Richards (1931) ont retenu notre attention: i) le

modèle de Philip (1957), et ii) le modèle de Morel-Seytoux (1978) adapté du modèle de Green et

Ampt (1911) sont les plus couramment utilisés et ont démontré leur performance pour simuler le

ruissellement Hortonien (Albergel et al, 2003).

Ces modèles nécessitent la connaissance des conditions initiales (teneur en eau initiale), des

variables d'entrée (Hyétogramme de pluie affecté à l'unité hydrologique) et des propriétés

hydrodynamiques de la couche de surface du sol : conductivité hydraulique à saturation, teneurs en

eau résiduelle et à saturation, succion capillaire). Sur notre site, ces paramètres ont été déterminés de

manière expérimentale et à partir de données disponibles sur ce site.

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Chapitre 8. Représentation spatiale de l'aménagement et choix des modèles

83

Les fonctions de production sont couplées à des fonctions de transfert en surface jusqu'au

réseau hydrographique et dans le sous-sol à partir des échanges avec les nappes. Dans notre cas, le

canal pré-banquette est l'élément de réseau dans lequel se déversent les ruissellements produits. Par

ailleurs, vu les précipitations dans la région et la situation géographique de la parcelle à l’intérieur du

bassin, la profondeur de la nappe phréatique est suffisamment grande pour pouvoir négliger les

échanges entre la surface et la nappe.

La propagation du ruissellement à la surface d'une unité hydrologique s'effectue dans

MHYDAS en utilisant le modèle de l’onde diffusante (équation III-6) résolue analytiquement par la

méthode d’Hayami (Moussa, 1996). Ce modèle nécessite la connaissance de la célérité C [L.T-1] et la

diffusivité D [L².T-1]. Ces deux paramètres peuvent être considérés constants ou reliés à la pente et à la

rugosité en utilisant une relation du type Manning-Strickler.

Le paramétrage de MHYDAS-HYDROLOGIQUE, nécessite également la détermination des

paramètres fixes du milieu: caractéristiques géométriques et topographiques des unités hydrologiques

(aire de l'unité hydrologique et la distance entre son centre de gravité et celui de l'unité hydrologique

en aval).

Le modèle fonctionne à l’échelle de l’événement et dans sa version actuelle il ne tient pas

compte de l'évapotranspiration. Il ne dispose pas non plus de module d'interception de la pluie par la

végétation. Vu la nature du couvert végétal qui est très épars sur notre parcelle, il est légitime de

négliger aussi bien l'évapotranspiration que l’interception.

8888....2222....1111....2222.... Le module MHYDASLe module MHYDASLe module MHYDASLe module MHYDAS----UHUHUHUH----EROSIONEROSIONEROSIONEROSION Le module EROSION de MHYDAS mis au point par Le Bissonnais, Raclot et Davy (Davy,

2006) est en cours de développement. Nous en présentons ici les principes et les équations. Dans une

première étape, il nécessite une représentation particulière de l'espace où il est appliqué. Dans une

seconde étape les processus de détachement et de transport des particules de sols sont représentés par

une batterie d'équations basées sur la conservation des masses en déplacement.

.8.2.1.2.1 Segmentation de l'espace

La géométrie de la parcelle est assimilée à celle d’un rectangle de longueur (L) en direction de

l’écoulement et de largeur (l) dans la direction perpendiculaire. Le concept de base correspond à la

détermination d’un nombre de rigoles a priori régulièrement espacées. Il s'agit de caractériser l'espace

par une distribution pertinente de rigoles en s'appuyant sur des critères morphologiques de la parcelle.

Cette représentation géométrique vise à spatialiser les sièges des processus d'érosion en nappe et

d'érosion concentrée. Elle présente l'avantage de se rapprocher du champ d'application des lois de

l'hydraulique à surface libre et d'éviter les problèmes liés aux hypothèses de simplification considérant

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PARTIE III. APPROCHE NUMERIQUE

84

la lame ruisselée homogène sur toute la surface. La Figure (III-2) montre l'application de cette

segmentation pour discrétiser l'espace inter-banquettes.

Cette représentation géométrique génère un certain nombre de motifs identiques. Chaque

motif élémentaire se compose d'une rigole centrale et d'une zone adjacente d'érosion en nappe (inter-

rigoles). Ces motifs sont eux-mêmes découpés en tronçons (Tr) de même longueur selon la longueur

(L) de la pente.

Ds eff

Df DP

M aval

M amont

Tr

Rigole

Inter-rigoles

Tr

L

ll

Ds eff

Df DP

M aval

M amont

Tr

Rigole

Inter-rigoles

Tr

L

ll

Fig. III-2. Représentation des mécanismes de l'érosion à l'échelle de l'espace inter-banquettes

dans MHYDAS-UH-EROSION.

.8.2.1.2.2 Représentations des processus de l'érosion

La modélisation des processus d'érosion dans MHYDAS-UH-EROSION dérive d'une

adaptation, des trois modèles d'érosion à bases physiques suivants (Davy, 2006) :

1. LISEM : LImburg Soil Erosion Model (De Roo & Offermans, 1995).

2. KINEROS : KINematic runoff and EROSion model (Woolhiser et al., 1990).

3. WEPP : Water Erosion Prediction Project (Laflen et al., 1991).

Les équations du module "EROSION" de MHYDAS s'inspirent fortement de celles présentées

dans ces modèles.

Le flux de sédiments en suspension dans les rigoles, noté e [M.T -1] est la somme du

détachement par splash effectif )(effDs [M.T -1], du détachement par le ruissellement D f

[M.T -1]

et du dépôt D p [M.T -1]:

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Chapitre 8. Représentation spatiale de l'aménagement et choix des modèles

85

DDDe pfseff −+= )( ...................................................(III-11)

La production des sédiments par les zones inter-rigoles (détachement par Splash) s'applique

sur l'ensemble de la surface étudiée. Elle est calculée à chaque pas de temps dt par la formule

suivante :

dtKEktot AD splashds××=)( .......................................... (III-12)

Où :

)(totDs: Détachement total par effet splash [M.T-1];

dk : Un indice de la détachabilité des particules du sol [L-2.T2];

KE : Énergie cinétique de la hauteur de la pluie pendant dt [M. T-2];

Asplash : Aire de la surface affectée par l'effet de splash [L2].

L'énergie cinétique de la pluie tombant sur un sol nu, est estimée à partir de l'intensité de la

pluie I [L.T -1] par la formule empirique de Marshall & Palmer (1948) :

)log44,8(95,8 IKE ×+= ........................................................... (III-13)

Le transfert de sédiments vers la zone « rigole » depuis la zone « inter-rigoles » est obtenu par

une fonction empirique appelée Sediment Delivery Ratio (SDR). Elle traduit le rapport entre la

quantité de sédiments détachés dans la zone « inter-rigoles » qui atteignent la rigole la plus proche et

la quantité totale de sédiments détachés par le splash sur «l'inter-rigoles ».

Ainsi le détachement par splash arrivant aux rigoles, )(effDs [M.T -1], est calculé par:

SDRtoteff DD ss×= )()( ........................................................ (III-14)

L'érosion concentrée en rigoles est estimée dans le modèle comme suit :

[ ]dxCTCyw ssf vD −Φ= ........................................ (III-15)

D f : Détachement par le ruissellement [M.T-1];

y : Coefficient dépend de la cohésion du sol et sa résistance au cisaillement exercée par

le ruissellement;

w : Largeur des rigoles [L];

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PARTIE III. APPROCHE NUMERIQUE

86

Φ : Degré d'homogénéité du profil vertical de concentration dans la lame d'eau. Il est

compris entre 0 et 1, Φ vaut 1 si le profil est homogène et tend vers 0 si le profil est

très stratifié;

vs : Vitesse de dépôt des particules [L.T-1];

TC : Capacité de transport [M.L-3];

SC : Concentration massique en sédiments [M.L-3].

La vitesse de dépôt vs est calculée, en tenant compte de la concentration volumique en

sédiments, selon la loi de Soulsby (1997):

36,10049,136,1032

50

−+×= DDv seds

v .......................... (III-16)

v : Viscosité moléculaire cinématique de l'eau [L2.T-1];

D 50 : Diamètre médian des particules [L];

D sed : Diamètre "sédimentologique" ou diamètre adimensionnel des particules.

La capacité de transport du ruissellement TC est exprimée en termes de concentration. Elle est

souvent calculée pour le flux en rigoles comme une fonction de la puissance unitaire du courant "unit

stream power" en utilisant une expression basée sur le travail de Govers (1990) in (Morgan et al.,

1998) :

[ ]dcrs VScTc ωρ −×××= ...................................................... (III-17)

Avec : S est la pente [L.L-1]; V est la vitesse moyenne du ruissellement dans la rigole [L.T-1];

ρs est la masse volumique des particules [M.L-3]; crω est la puissance critique du ruissellement [L.T-1].

Les coefficients c & d sont dérivés d'équations empiriques faisant intervenir le paramètre D50 (Morgan

et al., 1998).

Le processus de dépôt peut s'exercer dans le cas où la capacité de transport est inférieure à la

concentration en matière en suspension au sein de la rigole. Il est donné par :

[ ]dxCTCw ssp vD −Φ= .......................................... (III-18)

Avec Dp : Dépôt [M.L-3].

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Chapitre 8. Représentation spatiale de l'aménagement et choix des modèles

87

Bilan de masse au sein d'un tronçon : La quantité de sédiments en suspension dans un tronçon,

(figure III-2), donné au pas de temps t dépend de la somme des apports et des pertes entre t-1 et t.

La résolution numérique de l'équation de l'érosion (III-11) suit un schéma aux différences

finies oùMt

Tr, la masse de sédiments à l'instant t, dépend de M

t

Tr

1−, avec Tr le tronçon considéré et t

le pas de temps considéré.

L'équation présentant le bilan de masse dans un tronçon s'écrit donc:

MMDDDtMM avalamonttp

tf

ts

tTr

tTr −+

−−+−+−= −∆ 1111 1 δδ (III-19)

Mt

Tr : Masse de sédiments en suspension dans le tronçon (Tr) au pas de temps t [M];

Mt

Tr

1− : Masse de sédiments en suspension dans le tronçon (Tr) au pas de temps t-1 [M];

Dt

s

1− : Apport par splash entre t-1 et t [M.T -1];

Dt

f

1− : Apport par le ruissellement entre t-1 et t [M.T -1];

Dt

p

1− : Dépôt entre t-1 et t [M.T -1];

δ : Paramètre =0 lorsque le processus est un dépôt et =1 pour un arrachement ;

M amont : Masse de sédiment provenant du tronçon amont entre t-1 et t [M];

M aval : Masse de sédiment sortant du tronçon entre t-1 et t [M].

Le bilan total de l'érosion de la parcelle est donc la solution de l'équation (III-19) dans le

dernier tronçon en aval de la parcelle.

Les équations de l’écoulement de l’eau et de l’érosion du modèle sont résolues

indépendamment à chaque pas de temps. Cependant, le couplage entre le module de ruissellement et le

module d’érosion est assuré par le calcul de la hauteur et la vitesse de l'écoulement agissant sur la

capacité du transport au sein des rigoles.

8.2.2. HYDRUS 2D, présentation du modèle

Le logiciel HYDRUS-2D version 2.007 (Simunek et al., 1999) permet de simuler des

transferts d’eau en deux dimensions en conditions variablement saturées. Il est utilisé dans la

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PARTIE III. APPROCHE NUMERIQUE

88

simulation des volumes d'eau infiltrés derrière la banquette aval (deux derniers compartiments

fonctionnels de l'aménagement). Le modèle consiste en une résolution numérique de l’équation de

Richards par la méthode des éléments finis. Cette résolution nécessite la connaissance des deux

fonctions hydrauliques du sol: la courbe de rétention θ(h) et la fonction de conductivité hydraulique

K(h) ou K(θ).

L’interface propose trois expressions pour décrire les relations θ(h) et K(h): (Van Genuchten,

1980); (Brooks & Corey, 1964) et un type modifié des équations de van Genuchten (Vogel &

Cislerova, 1988). La différence parmi ces modèles est décrite dans le manuel du logiciel (Simunek et

al., 1999) et discutée par Lacas (2005). Nous avons opté pour le premier type (Van Genuchten, 1980)

qui est le plus courant et qui a reproduit les observations de façon satisfaisante :

[ ]

s

s

s

mn

rsr

hh

hhahh

<

+

−+

=

θ

θθθθ 1)( .................................... (III-20)

−−= Ssk

me

m

hkes

1

)( 11

2

5,0................... (III-21)

Avec θ : la teneur en eau volumique [L3.L-3]; h : la pression effective de l’eau du

sol [L];θ ret θ s

: sont respectivement la teneur en eau résiduelle et à saturation [L3.L-3];

α, n, m: sont des paramètre d’ajustement; a [L -1] et n le paramètre de forme de Van-Genuchten

[-], avec la relation 1et /11 >−= nnm .

)(hk est la conductivité hydraulique non saturée [L.T-1]; ksest la conductivité hydraulique

saturée [L.T-1] et rs

rSeθθθθ

−−= , la saturation effective.

8888....2222....2222....1111.... Conditions initiales et aux limitesConditions initiales et aux limitesConditions initiales et aux limitesConditions initiales et aux limites

La résolution de l’équation de Richards requiert aussi la connaissance des conditions initiale et

aux limites du domaine de simulation. La condition initiale est représentée par la distribution des

teneurs en eau ou de pressions dans le domaine. Cette condition doit être spécifiée pour tout le

domaine.

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Chapitre 8. Représentation spatiale de l'aménagement et choix des modèles

89

Quant aux conditions aux limites, HYDRUS en propose plusieurs types qui peuvent être

variables ou non dans le temps. Parmi ces conditions on peut citer :

- Condition d'un flux nul.

- Condition d'un flux constant.

- Condition d'une charge de pression constante. Le logiciel peut calculer

automatiquement un profil de charge à l’équilibre, à partir de la donnée de la charge

de pression du point le plus bas.

- Condition d'un flux variable dans le temps. Une seule condition de ce type est

autorisée, et elle ne peut pas varier dans l’espace (même flux pour tous les nœuds

soumis à cette condition aux limites).

- Condition d'une charge de pression variable dans le temps. Cependant, ce type ne peut

pas être varié dans l’espace. On ne peut pas donc reconstituer un profil de charge à

partir de la valeur du point le plus bas.

- Condition d'un drainage libre: impose un gradient hydraulique vertical unitaire. Cette

condition correspond à la situation de l’infiltration de l’eau vers une nappe située loin

au-dessous du domaine étudié.

- Condition dite "atmosphérique" qui prend en compte les données de pluviométrie et

d’évapotranspiration.

D'autres informations sont aussi requises pour exécuter le logiciel HYDRUS 2D. En effet,

l'utilisateur doit fournir des paramètres liés aux unités (temporelle et spatiale) et des paramètres liés à

la résolution numérique :

� L’unité du temps et la durée de la simulation, le pas de temps de la simulation et les

limites de sa variation.

� Les unités de longueurs choisies.

� Les critères de convergence et de stabilité; on doit fixer le nombre maximal

d’itérations admis à chaque pas de temps et les limites de tolérance pour la variation

absolue en h et en θ entre deux itérations.

8888....2222....2222....2222.... Autres options du logicielAutres options du logicielAutres options du logicielAutres options du logiciel

L’interface de HYDRUS 2D permet par ailleurs la caractérisation du domaine à modéliser et

la mise en œuvre de sa structure. Il concerne, la division du domaine en une ou plusieurs couches aux

propriétés différentes et le maillage de chacune des couches. Il propose un maillage de type

triangulaire.

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PARTIE III. APPROCHE NUMERIQUE

90

En sortie du modèle, le logiciel fournit des bilans de masse pour des sous-zones (sections dans

le domaine) préalablement définies par l'utilisateur. Il donne à tous les pas de temps pour chaque sous-

zone un bilan comprenant ses dimensions, le volume d'eau, le flux entrant, la charge de pression

moyenne et les erreurs relatives et absolues dans les bilans de masse de l'eau du domaine entier pour

évaluer la précision de la simulation.

Le logiciel fournit également les données de charge, flux et flux cumulé à chaque pas de temps

et sur toutes les limites du domaine. L'utilisateur peut aussi sélectionner des points d’observation pour

contrôler l'évolution de la teneur en eau et de la charge hydrique sur ces points.

Après avoir présenté en bref les deux modèles, nous allons aborder dans les deux chapitres

suivants les expérimentations et les analyses effectuées pour décrire les processus en jeu et paramétrer

ces modèles.

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Chapitre 9. Expérimentations de caractérisation de l'infiltrabilité et de

l'érodibilité des sols dans l'inter-banquettes

Pour paramétrer les deux modèles MHYDAS-UH et HYDRUS 2D, des expérimentations

spécifiques complémentaires aux observations du fonctionnement global de l'aménagement, sont

requises;

i Sur l'impluvium inter banquettes : les paramètres de l’infiltrabilité et de la détachabilité

et leurs variations spatiales d'une part, et d'autre part les paramètres de transfert des

écoulements et des matières solides.

ii Dans le canal pré-banquette: les paramètres hydrodynamiques du sol.

La modélisation étant réalisée sur la parcelle en jachère, tous les paramètres ont été

définis sur celle-ci. A des fins de comparaison, certaines expériences ont été également menées sur la

modalité "travaillée".

Ces expérimentations complémentaires ont pour objectif de fournir les paramètres nécessaires

pour mettre en œuvre les deux modèles. Les jeux de données acquis sur l'expérimentation

hydrologique présentée en partie II de ce mémoire sont utilisés pour la calibration et la validation des

modèles.

Ce chapitre présente les expérimentations effectuées sur l'impluvium de l'inter- banquettes et

le suivant est dédié à celles effectuées dans le canal pré-banquette en aval de cet espace.

9.1. Caractérisation de la production d'eau et de sédiments par

simulation de pluie

Ces expérimentations lourdes utilisant un simulateur de pluie ont été menées à la fois dans le

cadre de cette thèse et dans celui d'un projet ECCO "ECosphère COntinentale, risques

environnementaux" qui étudiait de manière plus large les dynamiques de surfaces et leur impact sur le

ruissellement et l'érosion.

Les essais de simulation de pluie ont été effectués sur les deux modalités "jachère" et "sol

travaillé" afin de caractériser et comparer les productions en eau et en sédiments sur les deux types de

travail du sol et pour des éventuels tests des scénarios.

La simulation de pluie consiste à produire une averse artificielle sur une petite surface, afin de

mesurer le ruissellement et les pertes en terre induites. Le but est de produire une pluie artificielle qui

se rapproche le plus possible des propriétés de la pluie naturelle. La simulation de pluie permet ainsi

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PARTIE III. APPROCHE NUMERIQUE

92

de contrôler l'intensité et la durée de la pluie et de réaliser des mesures et des observations en cours

d'événement. Les principaux atouts de cette méthode est la possibilité de pallier deux difficultés:

(i) prévenir les averses naturelles ruisselantes surtout en milieu de précipitations rares et

irrégulières. En effet, dans ces conditions il est difficile de préparer une expérience et

d'effectuer des prélèvements au cours d’un événement naturel.

(ii) contrôler les paramètres de la pluie naturelle.

De nombreux auteurs ont utilisé la simulation de pluie pour modéliser le ruissellement à

différentes échelles (Albergel, 1987, Casenave & Valentin, 1989, Perez, 1994) et comme indicateurs

de l’érosion sous conditions contrôlées. De même, cette technique a permis d’étudier l'effet de

certaines techniques culturales sur le ruissellement et la perte en terre ou évaluer l'impact des agents

érosifs (Lafforgue, 1977; Collinet & Valentin, 1979; Truman & Bradford, 1990 et Perez et al, 1998).

9.1.1. Simulation de pluie : méthode

Le simulateur de pluie utilisé est construit selon le modèle mis au point par l'ORSTOM et

décrit par Asseline et Valentin (1978) puis modernisé (Asseline, 1997).

Ce simulateur est constitué d’un régulateur d’aspersion placé à une hauteur de 4,3 m. Il

produit une pluie d’intensité homogène sur une bande au sol d’environ 2x5 m (Salles et al., 2000). La

placette de mesure est limitée par un cadre métallique carré d’1m² enfoncé dans le sol d’environ 5 cm.

Le bord aval du cadre est équipé d’un canal collecteur pour récolter le ruissellement dans une cuve

calibrée de façon à donner une hauteur de 1 cm dans la cuve pour une lame ruisselée de 1 mm dans la

placette. Les intensités de ruissellement sont enregistrées en continu par un limnigraphe vertical OTT.

Le régulateur d’aspersion est constitué par un boîtier électronique qui actionne un bras

oscillant muni d’un gicleur à jet plat en inox. Il est alimenté en eau à pression constante. L’intensité de

la pluie est fonction de l’angle de balayage du bras oscillant et de sa vitesse angulaire. La

programmation des averses est assurée par un outil informatique installé dans un ordinateur portable et

connecté au régulateur (Zante et al, 2004).

Dix essais de simulation ont été effectués à raison de cinq essais pour la modalité en jachère et

cinq pour la modalité travaillée. Chaque simulation a été effectuée selon le protocole expérimental

représenté dans le tableau (III-1) qui résume les caractéristiques des averses appliquées dans la

simulation et leur succession.

Tableau III-1. Protocole d'un essai de simulation de pluie

Averse 1 Arrêt Averse 2 Arrêt Averse 3

Intensité (mm/h) 35 60 90

Durée (mn) 45 15 15 15 10

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Chapitre 9. Expérimentations de caractérisation de l'infiltrabilité et de l'érodibilité des sols dans l'inter-banquettes

93

Pendant la simulation, des échantillons d'eau de ruissellement sont recueillis pour permettre la

détermination de l'évolution de la charge en sédiments. Ces échantillons sont transportés au

laboratoire, séchés à 105°C puis pesés afin de déduire leur concentration en charges solides.

Après chaque simulation, un échantillon de sol est prélevé afin de déterminer au laboratoire la

texture du sol (en 5 fractions) et également des échantillons sont prélevés autour de l’essai afin de

déterminer certains des paramètres du sol (humidité initiale, densité apparente).

9.1.2. Simulation de pluie : données sur le ruissellement

Le tableau (III-2) récapitule les principaux résultats concernant la production en eau au cours

des expériences de simulation de pluie.

Tableau III-2. Les caractéristiques principales de la production du ruissellement

Intensité de pluie (mm/h)

Pluie d’imbibition

(mm)

Lame ruisselée (mm)

Intensité max. du ruissellement

(mm/h)

Intensité stabilisée de l’infiltration

(mm/h) Modalité

Moy* Ecp Moy Ecp Moy Ecp Moy Ecp

35 5,3 2,3 6,9 2,7 13,9 3,8 21,1 3,8

60 1,8 0,4 9,0 2,0 42,3 4,6 17,7 4,6

Jach

ère

90 1,6 0,6 10,6 1,8 68,0 10,0 22,0 10,0

35 3,0 0,5 0,8 0,4 1,3 0,6 33,7 0,6

60 4,2 1,6 1,1 1,0 5,7 5,9 54,3 5,9 Sol

tr

avai

llé

90 1,1 0,6 2,0 1,4 12,8 10,3 77,2 10,3

*Moy : est la moyenne des cinq simulations; Ecp: est l'écarte type sur la moyenne.

Dans le tableau (III-2) nous rapportons les valeurs moyennes des paramètres suivants :

- La pluie d’imbibition qui correspond à la hauteur de la pluie infiltrée ou stockée à la

surface entre le début de l’averse et l’instant où se déclenche le ruissellement.

- L'intensité du ruissellement maximum stabilisé ainsi que l'intensité stabilisée de

l’infiltration. Elles sont calculées en régime permanent pour chaque averse.

L’analyse détaillée de ce tableau appelle plusieurs commentaires:

� Les pluies d’imbibition sont généralement faibles et du même ordre de grandeur sur les

deux modalités. On note, d'ailleurs, que les humidités volumiques initiales du sol sont

très proches dans les deux modalités. Elles étaient de l'ordre de 4% pour les deux

modalités.

� Les lames ruisselées ainsi que les intensités du ruissellement maximum stabilisé

augmentent au cours de la simulation en fonction de l'intensité de l'averse. Elles sont

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PARTIE III. APPROCHE NUMERIQUE

94

plus faibles sur le sol travaillé, ce qui montre bien l’influence du travail du sol sur son

infiltrabilité.

� L’intensité limite stabilisée de l’infiltration dans la modalité "jachère" varie peu selon

les intensités de pluie et elle s’établit autour de 20 mm/h. Par contre, pour la modalité

"travaillée", ce paramètre augmente avec l’intensité des averses, atteignant 77 mm/h

pour une intensité de pluie de 90 mm/h. Ceci peut être lié à l'état de surface du sol des

deux modalités. En effet sur la jachère on assiste à une saturation plus rapide du sol et à

une stabilisation de l’infiltration qui est atteinte dès la première pluie en raison de la

présence d'une croûte d'érosion en surface. Cependant, le sol de la modalité "travaillé"

est composé de croûte structurale et de reliquats de mottes qui favorisent l'infiltration.

La première pluie est absorbée par ces structures et est retenue par des flaques en

surface, ainsi l'intensité de l'infiltration augmente lors des deux pluies suivantes

proportionnellement à leurs intensités.

Nous avons cherché à déterminer pour chaque modalité le seuil de l’intensité de la pluie qui

provoque le ruissellement. La détermination de cette intensité consiste à tracer la relation entre les

intensités maximales de ruissellement (tableau III-2) et les intensités de pluie simulée. Puis établir une

droite de régression à partir de cette relation. L'abscisse à l'origine de cette droite correspond à

l'intensité de la pluie limite de ruissellement (figure III-3).

L'intensité de la pluie l imite de ruissellement

y = 0.98x - 19.23

y = 0.21x - 6.28

0

15

30

45

60

75

0 20 40 60 80 100

Intensité de pluie (mm/h)

Inte

nsité

ma

x. d

e r

uiss

elle

me

nt

(mm

/h)

Jachère

Sol travaillé

Fig. III-3. Représente l’intensité de la pluie provoquant le ruissellement

L’intensité de la pluie qui provoque le ruissellement est d’environ 20 mm/h pour la modalité

"jachère" et de 30 mm/h pour le sol travaillé. Bien que ces corrélations soient obtenues avec trois

points chacune, elles peuvent être considérés significatives du fait que chaque point soit issu de cinq

répétitions.

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Chapitre 9. Expérimentations de caractérisation de l'infiltrabilité et de l'érodibilité des sols dans l'inter-banquettes

95

Il est possible de comparer ces résultats de l'intensité de la pluie d’imbibition à l'échelle du m2 à

celles obtenues dans la partie II (Ch.6; § 6.1.2) à l’échelle de la parcelle qui étaient de 5 mm/h sur la

jachère et de 24 mm/h sur sol travaillé. Dans la modalité "travaillée" l'intensité seuil est du même

ordre de grandeur. Par contre, l'effet du changement de l'échelle semble plus important dans la

modalité "jachère" avec une intensité seuil 4 fois plus réduite à l'échelle de la parcelle (2840 m²). Cette

différence entre parcelle et mesure ponctuelle, se traduit par une différence de l'infiltrabilité aux deux

échelles.

9.1.3. Simulation de pluie : données sur l'érosion

L'érosion spécifique calculée, qui représente la masse totale de sédiments par m2, montre une

différence de comportement entre les deux traitements. Les valeurs moyennes de l'érosion spécifique

varient entre 7 et 36 g/m2 sur la modalité "jachère" et entre 0 et 4 g/m2 sur celle "travaillée".

Pour chacune des intensités appliquées, nous avons calculé les érosivités de pluie et de

ruissellement (taux d'érosion par mm de pluie et par mm de ruissellement), (tableau III-3; figure III-4).

Tableau III-3. Erosivités de la pluie et du ruissellement dans les deux modalités

Intensité de pluie (mm/h)

Erosivité de pluie (g/m2/mm)

Erosivité de ruissellement (g/m2/mm) Modalité

Moy Ecp Moy Ecp

35 0,47 0,39 1,73 0,91

60 1,73 0,96 2,74 1,29 Jachère

90 1,95 1,40 2,68 1,69

35 0,00 0,00 0,00 0,00

60 0,05 0,09 0,35 0,09 Sol travaillé

90 0,30 0,31 1,77 0,31

Erosivité de pluie et de ruissellement dans les deux modalités

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

1 2 3

Intensité des averses (mm/h)

Ero

sivi

té (

g/m

²/m

m)

Erosivité de pluie "Sol travaillé" Erosivité de pluie "Jachère"Erosivité de ruissellement"Sol travaillé" Erosivité de ruissellement"Jachère"

35 60 90

Fig. III-4. L’érosivité de la pluie et du ruissellement dans les deux modalités

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PARTIE III. APPROCHE NUMERIQUE

96

Le tableau (III-3) et la figure (III-4) montrent :

- Une action érosive de la pluie et du ruissellement dans la modalité "jachère" à toutes les

intensités de pluie. Cependant, sur la modalité "sol travaillé" cette action commence à 60

mm/h. En fait, aucune charge solide significative n'a été mesurée à 35 mm/h dans cette

modalité. Ceci peut être expliqué par la faible lame ruisselée mesurée sur sol travaillé à

cette intensité (tableau III-2).

- Dans la modalité "jachère", l'effet érosif de la pluie et du ruissellement est supérieur à

celui sur sol travaillé. Les deux érosivités tendent à se stabiliser dans la jachère à

l'intensité de pluie 60 mm/h. Cette stabilité pourrait être liée soit à une protection du sol

par la lame d'eau ruisselante ou à un défaut d'érodibilité du sol parce que les particules

détachées ont déjà été évacuées lors de l'averse précédente.

9999....1111....3333....1111.... Détachabilité et transports solidesDétachabilité et transports solidesDétachabilité et transports solidesDétachabilité et transports solides

Nous avons évalué les quantités de sédiments produits par les différentes averses sur chaque

placette. Ceci a permis d'établir le turbidigramme (la charge solide en suspension en fonction du

temps) pour chaque averse simulée. A titre d'exemple la figure (III-5) montre un turbidigramme établi

à partir des concentrations moyennes des matières en suspension (MES) produites pendant les cinq

averses de 60 mm/h appliquées sur la modalité "jachère".

Un turbidigramme établi dans la modalité "Jachère"

0

1

2

3

4

0 2 4 6 8 10 12 14 16

Temps (mn)

Co

ncen

tra

tion

ME

S (

g/l)

Fig. III-5. Un exemple du turbidigramme montre la variation de MES pour les averses de 60

mm/h dans la modalité "jachère"

Le tracé des turbidigrammes a montré, dans la même modalité, une grande variabilité intra-

placette en ce qui concerne la détachabilité, quelle que soit l'intensité appliquée. Ceci peut s’expliquer

par une variabilité spatiale des processus du détachement ainsi que par des erreurs de mesures surtout

lors des pesées des très faibles quantités de sédiments recueillis pour les faibles masses entraînées.

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Chapitre 9. Expérimentations de caractérisation de l'infiltrabilité et de l'érodibilité des sols dans l'inter-banquettes

97

Cependant, on observe généralement une croissance rapide suivie par une décroissance de la

concentration des matières en suspension en fonction du temps; cela est dû à la diminution de

détachement des particules de sol par la pluie. Non présenté sur la figure, la stabilité des

concentrations en MES est observée dès que l'intensité maximale du ruissellement est atteinte.

9.1.4. Synthèse : cohérence avec les observations à l'échelle de l'inter-

banquettes

On compare dans cette section les résultats obtenus par simulations de pluie, sur l'action

érosive de la pluie et du ruissellement, avec ceux acquis à l'échelle de l'inter-banquettes en conditions

naturelles (tableau III-4). Cette comparaison a pour objectif de vérifier la possibilité d'extrapoler les

résultats du m² à l'échelle de l'inter-banquettes et évaluer la cohérence de ces deux types de mesures.

Tableau III-4. Indices des érosivités de la pluie et du ruissellement selon le type et l'échelle de mesure

Erosivité de pluie (kg/mm/ha)

Erosivité de ruissellement (kg/mm/ha)

Type de mesures & surface de la parcelle

Sous pluie Simulée* (1m²)

Sous pluie naturelle** (2840m²)

Sous pluie Simulée*

(1m²)

Sous pluie naturelle** (2840m²)

Jachère 14 26 24 97,5

Sol travaillé 1,2 14,5 7 193,5

* Ces résultats sont les moyennes des valeurs présentées dans le tableau (III-3) issues de l'application des trois intensités. ** Ces valeurs sont les moyennes des résultats obtenus sur les deux campagnes du suivi de l'érosion, présentés dans la partie II de ce mémoire (Tableau II-10).

Ce tableau montre que les différences entre les érosivités (de la pluie et du ruissellement) sont

plus importantes dans la modalité "travaillée" lors de la transition du m² à l'échelle de la parcelle.

Cependant, dans la modalité "jachère" ces différences sont relativement limitées.

Dans la modalité "travaillée" les érosivités sont plus importantes en conditions naturelles. On

peut considérer que sur la jachère, les placettes de simulation de pluie représentent bien les états de

surface qui ont peu évolué au cours des deux années d'observations. Par contre sur la modalité

"travaillée" les états de surface ont évolués et cette comparaison des érosivités est moins légitime.

Pour cela, l'indice de l'érosivité du ruissellement est plus faible à l'échelle du m² dans cette modalité

contrairement à ce que nous avons obtenu en conditions naturelles à l'échelle de la parcelle.

En résumé, la simulation de pluie sur une placette de 1m² représentative de l'impluvium inter-

banquettes, pourrait fournir des indices sur les détachements des particules du sol, mais pas sur

l'érosion totale à l'échelle ''inter-banquettes".

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PARTIE III. APPROCHE NUMERIQUE

98

9.2. Caractérisation de l'infiltrabilité par des essais d'infiltration

simple anneau

L'infiltrabilité d'un sol est souvent caractérisée par la mesure de sa conductivité hydraulique à

saturation (Ks). Celle-ci est considérée comme un paramètre clé dans la modélisation hydrologique

(Seguis et al, 2002). Dans un espace inter-banquettes la connaissance de la distribution spatiale de Ks

dans la couche superficielle du sol permet d'appréhender les zones contributives du ruissellement et de

l'érosion conséquente.

La mesure de Ks par les méthodes classiques est cependant assez longue, laborieuse et

coûteuse. Ceci rend l'étude de sa variabilité spatiale assez difficile. Pour cela nous avons testé une

méthode simple, rapide pour estimer la conductivité saturée de la couche superficielle du sol dans la

parcelle en jachère du site de l'étude.

9.2.1. Méthodes et matériel

La méthode utilisée pour déterminer la conductivité saturée est l'infiltrométrie simple anneau

sous faible charge positive (Condappa, 2000; Braud et al., 2005). Elle consiste à mesurer la lame

infiltrée en fonction du temps, I3D, dans un anneau d'environ 15cm de diamètre suite à des apports

successifs d'un volume d'eau constant. Chaque essai est complété par prélèvement de 3 échantillons de

sol; un premier au centre de l'anneau immédiatement à la fin de l'essai, un second à proximité de

l'anneau, en dehors du bulbe d'humectation et un troisième de volume connu. Les deux premiers

servent à déterminer les humidités pondérales finale et initiale, alors que le troisième permet de

déterminer la masse volumique apparente du sol et convertir ainsi les humidités pondérales en

humidités volumiques.

Notons que la durée de l'essai est généralement inférieure à 1h, et que le volume d'eau utilisé

n'excède pas 1,5 l. Ce type d'essai est donc bien adapté aux milieux semi-arides, vu sa simplicité,

rapidité et faible coût.

Nous avons effectué soixante essais répartis dans la parcelle en jachère sur un maillage

régulier d'environ (5x10) m². Le plan d’échantillonnage est représenté en figure (III-6). Un seul essai a

été effectué par point. Ces essais ont été localisés par un nivellement topographique afin d'étudier la

variabilité spatiale de Ks.

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Chapitre 9. Expérimentations de caractérisation de l'infiltrabilité et de l'érodibilité des sols dans l'inter-banquettes

99

960 970 980 990 1000 1010

930

940

950

960

970

980

990

1000

B110B19B18B17B16B15B14B13B12B11

B20B21

B22B23

B24

B25

B26 B27

B28 B29

B38B37B36B35B34B33B32B31B30

B40B41

B42B43

B44B45

B46 B47

B55B54B53B52B51B50

B60

B61 B62

B63

B65

B74B73B72B71B70

4.5

5.5

6.5

7.5

8.5

9.5

10.5

Cote m

Distance m

Fig. III-6. Le plan d’échantillonnage des essais d’infiltration dans la parcelle en jachère. Les

localisations des essais sont représentées par les croix.

9999....2222....1111....1111.... Analyse deAnalyse deAnalyse deAnalyse de l'essai et détermination de Ks l'essai et détermination de Ks l'essai et détermination de Ks l'essai et détermination de Ks

Cette analyse doit tenir compte de l'écoulement latéral qui peut être prépondérant en raison du

faible diamètre de l'anneau. Elle est faite selon l'approche de Smettem et al., (1994) qui ont montré que

la différence entre la lame infiltrée dans l'anneau, I3D, et celle d'un écoulement vertical, I1D, est linéaire

dans le temps (éq. III-22). Le coefficient de linéarité dépend de la sorptivité du sol (paramètre qui

caractérise l'aptitude du sol à absorber l'eau par capillarité), de la différence entre ses humidités

volumiques finale et initiale et du rayon de l'anneau.

2

13 tr

SII DD θ

γ∆

+= ......................................................................... (III-22)

Dans cette relation Ι3D est la lame infiltrée dans l’anneau [L]; Ι1D est la lame infiltrée qui

correspond à l'écoulement monodimensionnel [L]; γ est une constante qui varie entre 0,6 et 0,8; s

est la sorptivité du sol [L.T-1/2]; ∆θ = θs − θι est la différence entre les humidités finale θs et initiale θi à

la surface du sol; t le temps [T].

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PARTIE III. APPROCHE NUMERIQUE

100

Or il existe plusieurs modèles dans la littérature qui relient I1D à la sorptivité du sol (S) et sa

conductivité saturée, Ks, ce qui rend possible l'estimation de ce dernier paramètre à partir de ce type

d'essai. Une étude de Touma et al., (2006), qui ont testé 7 modèles I1D sur des sols de propriétés

connues, a montré que le modèle de Brutsaert (1977), donne les meilleurs résultats :

11

12

1

+−+=

S

tK

K

StKI s

ssD β

β................................ (III-23)

Ce modèle est développé à partir de la solution quasi-analytique en série de Philip (1957)

mais, contrairement à cette dernière, il est applicable quel que soit le temps. Le paramètre β qui figure

dans cette relation dépend de la nature du sol, mais cette dépendance n’a pas été explicitée par

Brutsaert (1977) qui préconise une valeur constante β = 2/3 pour les applications pratiques, cette valeur

a été appliquée dans cette étude.

Les valeurs mesurées des humidités initiale et finale ainsi que le rayon connu de l'anneau

utilisé pour l'essai, permettent d'optimiser la sorptivité et la conductivité saturée du modèle I1D en

minimisant la somme des carrés des écarts entre les valeurs mesurées et modélisées. La figure (III-7)

présente un exemple type des résultats obtenus.

Essai d'infiltration "B22"

01020304050607080

0 500 1000 1500 2000 2500

Temps (s)

Lam

e in

filtr

ée (

mm

)

Fig. III-7. Lame infiltrée mesurée (points) et optimisée (courbe continue). Cet essai correspond

au point entouré dans la figure (III-6).

Dans cette figure, la mesure est représentée par les points alors que la courbe continue

représente l'ajustement avec les valeurs optimisées de la sorptivité et de la conductivité saturée.

Suite à l’utilisation de cette méthode de détermination de Ks, nous avons travaillé avec les

résultats de cinquante-trois des soixante essais d’infiltration. Sept essais ayant été écartés car ils

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Chapitre 9. Expérimentations de caractérisation de l'infiltrabilité et de l'érodibilité des sols dans l'inter-banquettes

101

donnent des valeurs négatifs de Ks lors de l’ajustement du modèle d’infiltration qui a été attribuée à

des problèmes d'expérimentation sans pour autant pouvoir en préciser la nature.

Nous avons effectué une analyse statistique des paramètres estimés ou mesurés lors des

expérimentations. Le tableau (III-5) résume les résultats de cette analyse effectuée au niveau de

confiance 95%.

Tableau III-5. Données statistiques des paramètres déterminés

Ks

[mm/h] Ln Ks

S [mm/h1/2]

Da θθθθi

[[[[cm3/cm3]

θθθθs [[[[cm3/cm3]

Médiane 23,23 3,14 17,88 1,53 0,16 0,34

Moyenne 27,64 3,07 17,04 1,53 0,16 0,34

Variance 357,58 0,54 59,95 0,004 0,0006 0,002

Minimum 4,21 1,44 5,0E-08 1,42 0,11 0,26

Maximum 81,42 4,40 32,25 1,68 0,21 0,44

Coef de variation [%] 0,68 0,24 0,45 0,04 0,15 0,13

Coef d’asymétrie 1,18 -0,40 -0.008 0,36 -0,18 0,14

Un premier examen des données montre que les mesures de la densité apparente et des

humidités initiales et saturées varient peu dans l'espace. Par contre, les valeurs obtenues de Ks et de S

sont moins homogènes et présentent respectivement un coefficient de variation de 68 et de 45%.

Vu l'objectif recherché, nous avons choisi de nous intéresser seulement à la conductivité

saturée pour l'étude de la variabilité spatiale.

L’histogramme représenté dans les figures (III-8, a et b) montre la distribution des valeurs

mesurées de Ks. La conductivité hydraulique à saturation présente une distribution qui suit une loi log-

normale (figure III-8, b). Cette distribution a souvent été constatée pour ce paramètre (Voltz, 1986;

Boivin & Touma 1988; White & Sully, 1991).

Fig. III-8, a. l’histogramme de Ks. Fig. III-8, b. l’histogramme de Ln Ks

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PARTIE III. APPROCHE NUMERIQUE

102

9.2.2. Variabilité spatiale de la conductivité hydrique à saturation

La géostatistique fournit le moyen d'étudier cette variabilité. Elle permet d’estimer la loi

spatiale décrivant la variabilité du phénomène étudié. Cette étude se fait en deux étapes :

- Analyse de la structure spatiale des données de Ks, et recherche des corrélations spatiales

- Cartographie quantitative de ce paramètre.

L'analyse structurale de Ks consiste à calculer et modéliser des variogrammes de Ks, et

construire des modèles numériques rendant compte de la variabilité spatiale de ce paramètre. Cette

modélisation aboutit à une estimation de Ks via une interpolation linéaire (krigeage). Le krigeage

permet une estimation linéaire non biaisée de la variable étudiée en un point où elle n'est pas mesurée

(Voltz, 1986). Il procure, également, une mesure de l'incertitude associée à cette estimation (Gratton,

2002). Il présente l'avantage d’intégrer la structure spatiale des données de la variable cartographiée à

travers un modèle du variogramme.

9999....2222....2222....1111.... Analyse et modélisation géostatistique de KsAnalyse et modélisation géostatistique de KsAnalyse et modélisation géostatistique de KsAnalyse et modélisation géostatistique de Ks

Le variogramme expérimental est estimé par la expression suivante (Pannatier; 1996) :

[ ]2)(

1

)()()(2

1)( ∑

=

+−=hn

iii hxZxZ

hNhγ ....................................... (III-24)

où :

N(h) : est le nombre de paires de données dont les localisations sont séparées par la

distance h;

xi et xi + h : sont des localisations de mesures séparées par une distance h ;

Z(xi) et Z(xi + h) : étaient des valeurs de la variable i mesurée aux endroits

correspondants.

Cette expression décrit comment évolue le demi-écart quadratique de Ks en fonction de la

distance. Dans un premier temps, la continuité spatiale a été considérée identique dans toutes les

directions. Le variogramme établi dans ce cas est appelé "omnidirectionnel". La distance entre deux

essais d’infiltration dans chaque ligne (5 m) a été utilisée comme intervalle séparant les paires de

points. En pratique une tolérance angulaire de 90° sur h est acceptée pour constituer un nombre

maximal de paires de la variable considérée. Le variogramme ainsi calculé (figure III-9) comprend

1770 paires.

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Chapitre 9. Expérimentations de caractérisation de l'infiltrabilité et de l'érodibilité des sols dans l'inter-banquettes

103

0 5 10 15 20 25 300

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

|h||h||h||h|

(|h|)(|h|)(|h|)(|h|)γγγγ

94

316 232 448 280 400

Omnidirectional

Fig. III-9. Le variogramme expérimental calculé pour ln Ks (la ligne en tirets correspond à la

variance).

La figure III-9 montre une bonne structure spatiale de la variable (Ln Ks) sur cette parcelle.

Un modèle sphérique s'ajuste facilement au variogramme expérimental calculé (figure III-10).

0 5 10 15 20 25 300

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

|h||h||h||h|

(|h|)(|h|)(|h|)(|h|)γγγγ Omnidirectional

Fig. III-10. Le modèle sphérique (courbe continue) ajusté sur le variogramme expérimental

(points).

Le modèle sphérique ajusté a une portée de 11,5 m. Cela signifie qu'à partir de cette distance,

il n'y a plus de corrélation entre les valeurs expérimentales de Ks. Le palier de ce modèle ajusté à 0,6

correspond à la variance de la fonction aléatoire*.

Ce modèle a permis de définir la structure spatiale de la conductivité hydraulique à saturation

* Le paradigme de la géostatistique consiste à considérer que la variable étudiée (ln(Ks) dans notre cas) à travers des valeurs

échantillonnées est une réalisation unique d'une fonction aléatoire.

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PARTIE III. APPROCHE NUMERIQUE

104

dans la parcelle étudiée. Il a servi à dresser la carte d'isovaleurs de ce paramètre par la méthode du

krigeage (figure III-11).

970 980 990 1000 1010

940

950

960

970

980

990

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70

Ks (mm/h)

Fig. III-11. Cartographie de la distribution spatiale de Ks et ses valeurs estimées par krigeage

dans l'impluvium de la parcelle en jachère

Cette carte montre une conductivité généralement faible caractéristique des sols peu

perméables à granulométrie fine et à tendance à la battance. L'analyse de cette cartographie permet de

distinguer trois classes de perméabilité :

1. la première correspond à une faible perméabilité (≤ 15 mm/h). La zone située en bas de

la parcelle juste en amont du canal correspond à cette classe. Le tassement du sol par le

passage du bulldozer lors de la construction de la banquette pourrait en être la cause.

2. la seconde correspond à une perméabilité moyenne (environ 30 mm/h). Les zones de

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Chapitre 9. Expérimentations de caractérisation de l'infiltrabilité et de l'érodibilité des sols dans l'inter-banquettes

105

cette classe s'étendent sur une grande partie de l'inter-banquettes.

3. la troisième correspond à une perméabilité plus forte (≥ 45 mm/h). La zone située en

amont de celle tassée est incluse dans cette classe.

La surface de la parcelle est principalement caractérisée par des croûtes d’érosion (croûtes

structurales érodées) et avec une couverture végétale très clairsemée et quasi homogène. La zone de

perméabilité la plus forte correspond vraisemblablement à un dépôt éolien causé par un faible

changement de pente entre l'amont et l'aval de la parcelle.

9.2.3. Discussion et conclusion

La connaissance de Ks de la couche superficielle du sol est indispensable pour l'analyse et la

modélisation du fonctionnement hydrologique d'un espace inter-banquettes. L'infiltrométrie simple

anneau sous faible charge positive permet de mesurer ce paramètre ainsi que la sorptivité du sol de

façon simple, rapide et économique. Sa faible consommation en eau la rend bien adaptée aux milieux

arides et semi-arides. En outre, la simplicité de sa mise en œuvre permet la multiplication des essais

sur l'espace inter-banquettes afin d'en étudier la variabilité spatiale et de mieux définir ainsi les zones

contributives du ruissellement et l'érosion conséquente.

L'utilisation antérieure du modèle MHYDAS à l'échelle des parcelles agricoles a montré que

ce paramètre, pour lequel il est très sensible, nécessite un calibrage même s'il a été mesuré in situ

(Chahinian et al, 2006). Les valeurs obtenues localement surestiment la valeur globale de la parcelle

mais représentent bien les variations de ce paramètre. Les valeurs de Ks utilisées pour la modélisation

hydrologique sont soit des paramètres équivalents ou des valeurs expérimentales obtenues localement

corrigées par un coefficient multiplicateur. Ces paramètres ne peuvent pas être systématiquement

extrapolés à d'autres bassins versants et nécessiteront une re-détermination à chaque modification

d'échelle (Vázquez et al., 2002 in Chahinian, 2004).

La carte obtenue (figure III-11) montre une relative homogénéité de la perméabilité, même si

on peut distinguer trois zones différentes. Rapporté aux surfaces de chacune de ces trois zones on

obtient un Ks moyen de 32 mm/h qui est comparable aux valeurs médiane et moyenne de Ks mesuré

(tableau III-5). Il paraît donc raisonnable dans une modélisation MHYDAS d'attribuer une seule valeur

de Ks à la parcelle; ceci combiné à une pente assez uniforme justifie de considérer la parcelle inter-

banquettes comme un seul panneau se déversant dans le canal aval. Rappelons qu'en raison de la

profondeur de la nappe, le canal est considéré comme un bief sans relation avec la nappe.

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Chapitre 10. Détermination des paramètres hydrodynamiques du sol

dans le canal de la banquette

Dans ce chapitre, nous présentons les expérimentations effectuées pour déterminer les paramètres

hydrodynamiques du sol dans le canal et la banquette aval. L’objectif étant de quantifier l’infiltration

dans le canal d’une banquette et les flux latéraux éventuels sous cette banquette. Cette démarche

expérimentale vise aussi à fournir des hypothèses de fonctionnement hydrologique d'une maille

élémentaire de la banquette et son canal. Les résultats de cette analyse seront ensuite synthétisés pour

paramétrer le modèle HYDRUS 2D.

10.1. Placette de l'infiltration dans le canal et dispositif de mesures

tensio-neutroniques

Dans le canal en aval de la parcelle en jachère, une portion (d'environ 75 m²) a été délimitée

latéralement, d’un côté par un muret en béton (digue du déversoir) et de l’autre par une paroi en tôle.

Le côté aval est délimité par la banquette. Cette placette a été donc isolée du reste du canal (figure III-

12). Elle a été équipée par 45 tensiomètres, répartis sur 9 batteries de 5 tensiomètres chacune, disposés

entre les profondeurs 10cm à 120 cm suivant deux transects en amont et en aval de la banquette. Ces

tensiomètres sont aussi répartis à différentes distances dans chaque transect. Quatre tubes d’accès de

sonde à neutrons ont été aussi installés à différentes profondeurs suivant un transect en amont et en

aval de la banquette.

S3

Paroi en tôle

Limnigraph e

B1 B2 B3

B6 B7 B8

S4 S1 S2

Flanc amont de la Banquette

Fig. III-12. Vue générale du dispositif et localisation des capteurs dans la placette de

l'infiltration; dans le canal (à droite) et en aval de la banquette (à gauche).

Installations en aval

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Chapitre 10. Détermination des paramètres hydrodynamiques du sol dans le canal de la banquette

107

10.1.1. Tensiomètrie

Les tensiomètres installés sont à manomètre à mercure reliés à des réglettes 5 voies qui

permettent la mesure des tensions de l’eau du sol.

Six batteries de tensiomètres sont implantées dans le canal, suivant deux transects de trois

batteries. Deux autres batteries permettent le contrôle de l'infiltration de l'eau sur le flanc aval de la

banquette. Leur profondeur d’implantation, tenant compte de la topographie du terrain, permet d’avoir

des cotes absolues identiques pour plusieurs tensiomètres. Les caractéristiques de mise en place et le

principe de mesure sont résumés dans l'annexe III-A.

10.1.2. Sonde à neutrons

La méthode de mesure de l'humidité du sol par sonde à neutron présente de nombreux

avantages. Elle est non destructive et permet donc de suivre l'évolution de l'humidité sur un ou

plusieurs profils de sol, elle est simple à manipuler in situ. En revanche, il est nécessaire d'effectuer un

étalonnage spécifique à chaque site. Ce dernier est effectué à proximité des profils de mesure par

mesure simultanée des humidités pondérales et densités apparentes à chaque profondeur de mesure.

Les détails de la mise en œuvre sur le site expérimental sont aussi donnés dans l'annexe III-A.

10.2. Inondations artificielles et suivi tensio-neutronique

Les premières mesures tensio-neutroniques ont été effectuées au cours d’une infiltration sous

une lame d'eau décroissante qui a été réalisée en décembre 2004 en conditions initiales relativement

humides. L'épaisseur de la lame d'eau au point le plus bas du canal était de 40 cm. Un limnigraphe

enregistrait la décroissance de la lame d'eau en surface. Un nivellement fin de cette partie du canal

permet d’obtenir la relation hauteur-volume. L’expérimentation, mise en défens, est restée en place

pour un suivi en conditions naturelles pendant la saison des pluies 2005. Une deuxième infiltration,

également sous lame d'eau décroissante, a eu lieu en juin 2005 en conditions initiales sèches. Les

mesures se sont poursuivies jusqu'en décembre 2005.

10.2.1. Critique des mesures et évaluation de la qualité des données

D'abord, pour mieux juger la cohérence des données, nous avons effectué une analyse critique

des mesures tensio-neutroniques. Cette analyse consiste à établir une chronique des mesures

comprenant les mesures de la teneur en eau, la charge de pression avec les pluies durant la période du

suivi. Dans la seconde étape, nous avons comparé les mesures tensio-neutroniques entre elles d'une

part et avec la pluie d'autre part. Cette procédure a permis de détecter des erreurs dans les mesures et

d'éliminer les données incohérentes.

Cette méthode d'analyse critique de ce type de données a été utilisée par McVoy et al., (1995) et

par Wegehenkel, (2004).

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PARTIE III. APPROCHE NUMERIQUE

108

10.2.2. Evolution de l'humidité volumique du sol

L'évolution des teneurs en eau en amont et en aval de la banquette est représentée

respectivement dans les figures (III-13 et 14). La pluie journalière est aussi rapportée sur ces deux

figures pour examiner son effet sur la variation de l'état hydrique du sol.

Evolution de la teneur en eau en amont de la banquette

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

09/11/04 29/12/04 17/02/05 08/04/05 28/05/05 17/07/05 05/09/05 25/10/05 14/12/05

θθ θθ (c

m3 /c

m3 )

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

Pluie (m

m)

Pfd_10 cm Pfd_30 cm Pfd_50 cm Pfd_80 cm Pluie journalière (mm)

Fig. III-13. Evolution de la teneur en eau à différentes profondeurs en amont de la banquette (les flèches en rouge indiquent les dates des inondations artificielles).

Evolution de la teneur en eau en aval de la banquette

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

09/11/04 29/12/04 17/02/05 08/04/05 28/05/05 17/07/05 05/09/05 25/10/05 14/12/05

θθ θθ (c

m3 /c

m3 )

0

30

60

90

120

150

180

Pluie (m

m)

Pfd_10 cm Pfd_30 cm Pfd_50 cm Pfd_80 cm Pluie journalière (mm)

Fig. III-14. Evolution de la teneur en eau à différentes profondeurs en aval de la banquette (les flèches en rouge indiquent les dates des inondations artificielles).

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Chapitre 10. Détermination des paramètres hydrodynamiques du sol dans le canal de la banquette

109

Ces figures montrent les mesures de l'humidité volumique aux profondeurs 10, 30, 50 et 80 cm

sur deux profils: S1 (dans le canal) et S3 (en aval de la banquette) entre les 10/12/2004 et 24/11/2005.

L'examen détaillé de ces deux figures montre les points suivants:

- Les variations d’humidité, aussi bien en amont qu'en aval de la banquette, sont plus

importantes en surface qu’en profondeur.

- L’humidité du sol diminue avec la profondeur dans le canal, alors qu'elle augmente avec

la profondeur en aval de la banquette.

- En aval de la banquette, l’effet des pluies sur les réserves hydriques est moins perceptible

et il est quasi absent pour les petits événements. Cependant, lors des périodes très arrosées

(par ex. en février 05), des accroissements d’humidité sont observés à toutes les

profondeurs des deux côtés de la banquette.

- Suite aux deux infiltrations, la teneur en eau du sol a fortement augmenté en amont, mais

pratiquement pas en aval de la banquette.

- Des valeurs d'humidité mesurées en amont de la banquette immédiatement après

l'événement, et notamment près de la surface, se sont avérées trop élevées (> 45%). Ces

valeurs sont surestimées puisque lors de la mesure, la lame d’eau en surface n’avait pas

encore disparu.

10.2.3. Evolution de la charge de pression

L'analyse des profils de la charge de pression en amont et en aval de la banquette, montre que

son évolution suit parfaitement celle de l'humidité du sol. Dans la période des mesures, les figures qui

présentent cette évolution des deux côtés de la banquette ont la même allure que les figures (III-13 et

14). Cependant, on note certaines lacunes dans les mesures tensiométriques. En effet, en raison des

températures élevées sur le site, les circuits hydrauliques des tensiomètres se désaturaient ce qui

nécessitait leur purge et leur saturation de nouveau.

10.2.4. Variation des profils hydriques des deux côtés de la banquette

Afin d'illustrer l'effet de la banquette sur la rétention de l'eau, la figure (III-15) présente

l’évolution des profils hydriques du sol des deux côtés de la banquette. Ces profils présentent l'état

hydrique du sol avant et après les pluies des 3, 4 et 5 octobre 2005 qui ont totalisé 65 mm.

On remarque d'abord que le profil initial en amont de la banquette est nettement plus humide

que celui en aval, bien que les deux côtés soient soumis aux mêmes pluies.

Suite à ces pluies le front d'humectation a dépassé les 90 cm de profondeur en amont de la

banquette, alors qu'il n'a pratiquement pas dépassé les 70 cm en aval. De plus, alors que l'humidité a

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PARTIE III. APPROCHE NUMERIQUE

110

augmenté en moyenne de 0,11 sur toute la profondeur de mesure en amont, cette augmentation n'a pas

dépassé les 0,04 en aval.

Variation des profi ls hydriques en aval et en amont de la banquette

-110

-100

-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

00.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50

θθθθ (cm3/cm3)

Pro

fond

eur

(cm

)

27/9/05

7/10/05

11/10/05

14/10/05

19/10/05

27/10/05

en amonten aval

Fig. III-15. Evolution des profils hydriques du sol suite aux événements d'octobre 05; en aval de

la banquette (à gauche) et dans son canal (à droite).

10101010....2222....4444....1111.... Variation du stock et bilan hydrique entre le 27/09 et 27/10/2005Variation du stock et bilan hydrique entre le 27/09 et 27/10/2005Variation du stock et bilan hydrique entre le 27/09 et 27/10/2005Variation du stock et bilan hydrique entre le 27/09 et 27/10/2005

L’équation du bilan stipule que toute différence entre apports et pertes, pendant la période

considérée, se traduit par une variation ∆S du stock d’eau dans un profil de sol :

∆S = Apports – Pertes....................................................................... (III-23)

Selon la position par rapport à la banquette, on peut distinguer deux cas pour le bilan hydrique

(tous les termes sont exprimés en mm) :

i En amont de la banquette : Les apports sont constitués par les précipitations (P) et les

écoulements provenant de l'inter-banquettes (Ri), et les pertes par l’évapotranspiration réelle

(ETR) et par d'éventuelles infiltrations en profondeur(Ip). Rappelons que l'écoulement au

delà du canal est nul. Dans ce cas, la forme simplifiée de l'équation du bilan hydrique

s’écrit :

∆S = (P + Ri) – (ETR + Ip).............................................................. (III-24)

ii En aval de la banquette : Les apports sont constitués principalement par les précipitations

(P), et les pertes par l’évapotranspiration réelle (ETR), par le ruissellement (R) et par

d'éventuelles infiltrations en profondeur (Ip). L'équation du bilan hydrique s’écrit:

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Chapitre 10. Détermination des paramètres hydrodynamiques du sol dans le canal de la banquette

111

∆S = P – (R+ETR + Ip).................................................................... (III-25)

L'application de l'équation de continuité aux différents profils hydriques présentés dans la figure

(III-15) a amené à tracer la variation du stock d'eau du sol suite à cet événement. Le tableau (III-6)

représente cette variation (∆S) et l'humidité du sol pour la tranche commune de mesure (10-90 cm),

ainsi que la précipitation durant la séquence de pluie considérée. Il est à noter que chaque mesure de la

teneur en eau a été considérée comme représentative d'une tranche supérieure du sol ayant une

épaisseur de 10 cm. La mesure effectuée à 10 cm de profondeur représente donc l’horizon 0-10 et ainsi

de suite. Les colonnes ∆θ sont les variations moyennes de l'humidité entre 0 et 90 cm.

Tableau III-6. Variations de stocks d'eau et d'humidité du sol en amont et en aval de la banquette entre 27/09 et 27/10/2005.

En amont de la banquette

En aval de la banquette Période

Pluie (mm)

R (mm)

Ri (mm)

∆S (mm) ∆θ ∆S (mm) ∆θ

27/09 – 6/10 55 19 112 99 0,11 35 0.039

7/10 – 10/10 2 0 0 0,05 0 2 0.002

11/10 – 13/10 2,5 0 0 -1 -0,01 -5 -0.006

14/10 – 18/10 0,5 0 0 -26 -0,03 -4 -0.005

19/10 – 27/10 5 0 0 -18 -0,02 -7 -0.008

Bilan total (27/09 – 27/10)

65 19 112 54 0,05 20 0,023

Dans le canal, et bien que l'eau soit restée disponible en surface jusqu'au 24/10/2005, on note

une diminution du stock. Celle-ci est due uniquement à la percolation profonde, alors qu'en aval cette

percolation est nettement plus faible qu'en amont et une partie de la perte est par évaporation. Pourtant,

la réserve hydrique des premiers 90 cm du sol reste 2,7 fois plus importante en amont de la banquette à

la fin de la période considérée. A noter que l'augmentation du stock entre le 7/10 et le 10/10 n'est pas

significative puisqu'elle est du même ordre de grandeur que les erreurs de mesure.

Certains termes du bilan ont été mesurés (P, R et Ri), alors que ETR et Ip ne sont pas mesurés.

En effet, puisque le suivi tensio-neutronique effectué est limité à 90 cm de profondeur, on ne peut pas

séparer la perte en stock au-delà du domaine en drainage profond et évapotranspiration pour l'aval de

la banquette. Cependant, comme il a été mentionné plus haut, la lame d'eau dans le canal n'a disparu

que le 24/10, le terme ETR dans l'équation (III-24) est donc pratiquement négligeable. Ces résultats

montrent clairement l'effet de la banquette pour la rétention de l'eau dans le sol.

Les valeurs des différents termes du bilan hydrique dans les deux côtés de la banquette sont

données dans le tableau (III-7).

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PARTIE III. APPROCHE NUMERIQUE

112

Tableau III-7. Composantes du bilan hydrique en amont et en aval de la banquette entre 27/09 et 27/10/2005.

10.2.5. Détermination des propriétés hydrodynamiques du sol

La conjugaison des mesures neutroniques et tensiométriques à chaque profondeur, a permis

d'établir des dizaines de couples h-θ constituant un nuage de points sur le quel est ajusté le modèle de

Van Genuchten (1980), (éq. III-20). Les paramètres hydrodynamiques ont été donc déterminés en

minimisant les écarts quadratiques entre les points mesurés et ceux calculés par le modèle van

Genuchten.

La comparaison des mesures (θ, h) aux différentes profondeurs a permis de distinguer trois

courbes h(θ) (figures III-16 : a, b et c) : en amont de la banquette, on a pu différencier deux horizons

séparés à 60 cm de profondeur, alors que le massif en aval de la banquette, homogène sur toute sa

profondeur, était différent des deux horizons amont. Nous avons donc obtenu trois groupes des

paramètres hydrodynamiques du sol présentés dans le tableau (III-8).

0.3 0.4 0.50.25 0.35 0.45

teta (cm3/cm3)

0

100

200

300

20

40

60

80

120

140

160

180

220

240

260

280

320

340

h (c

m)

MesuresAjustement

- a -

Période: du 27/09 au 27/10/2005. En amont de la banquette En aval de la banquette

∆S [mm] 54 20

P [mm] 65 65

R [mm] 0 19

Ri [mm] 112 0

(ETR + Ip) [mm] 123 26

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Chapitre 10. Détermination des paramètres hydrodynamiques du sol dans le canal de la banquette

113

0.08 0.12 0.16 0.2 0.240.1 0.14 0.18 0.22

teta (cm3/cm3)

0

100

200

300

400

20

40

60

80

120

140

160

180

220

240

260

280

320

340

360

380

h (c

m)

MesuresAjustement

- b -

0.24 0.28 0.320.22 0.26 0.3

teta (cm3/cm3)

0

100

200

300

400

20

40

60

80

120

140

160

180

220

240

260

280

320

340

360

380

h (c

m)

MesuresAjustement

- C -

Fig. III-16. Types de courbes de rétention hydrique obtenues: a (0-60 cm), b: (talus de la

banquette, c: (>60 cm).

Tableau III-8. Paramètres de rétention des trois couches

Couche 1 2 3

θθθθr [cm3/cm3] 0,153 0,029 0,148

θθθθs [cm3/cm3] 0,45 0,20 0,30

a [cm-1] 0,0198 0,036 0,0198

n [-] 1,64 1,36 1,34

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PARTIE III. APPROCHE NUMERIQUE

114

Concernant la courbe de conductivité K(h), il est pratiquement impossible de déterminer une

conductivité hydraulique vu la nature multi-dimensionnelle de l'écoulement. En effet, il faut appliquer

la loi de Darcy au moins en deux dimensions et estimer les composants du flux hydrique et les

gradients hydrauliques dans chaque direction de l'espace, ce qui est pratiquement impossible. Pour

contourner ce problème, nous avons opté pour déterminer Ks par optimisation par HYDRUS 2D. Les

résultats de l'optimisation seront présentés au chapitre suivant.

10.3. Conclusion

Les expérimentations spécifiques, présentées dans les deux chapitres précédents, nous ont

permis de déterminer certains paramètres et variables essentiels des deux modèles. D'autres paramètres

nécessaires aux modèles n’ont pas été mesurés directement et seront donc déterminés soit par calage,

soit à partir de la base de données sur le site ou de la bibliographie selon la disponibilité.

Concernant les mesures effectuées sur l'impluvium, nous soulignons les limites inhérentes au

changement d’échelle, puisque les mesures sont ponctuelles dans leur ensemble, et que les modèles se

veulent descriptifs de processus à l’échelle de la parcelle. Ce dernier point sera discuté par la suite.

Les expérimentations menées dans le canal, ont permis de caractériser l'évolution de l'humidité

du sol et celle de la charge de pression en fonction de pluie, ceci des deux côtés de la banquette et d'y

quantifier le stock hydrique dans le sol. Ceci a mis en évidence le rôle de la banquette sur la recharge

du sol suite aux pluies. Ces mesures ont aussi permis de déterminer les courbes de rétention du sol

dans le compartiment aval (la banquette et son canal).

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Chapitre 11. Modélisation effectuée

Après avoir présenté le processus, les variables et les paramètres de la modélisation envisagée, ce

dernier chapitre montre les travaux de calibration et de validation de deux modèles. Ces modèles vont

chercher à décrire d'abord le ruissellement et l'érosion sur l'espace inter-banquettes et ensuite

l'infiltration de l'eau dans le canal pré-banquette. Nous traitons donc les deux modèles séparément.

Pour MHYDAS-UH, il s’agit en effet de calibrer et valider ce modèle sur les événements observés.

Nous le faisons pour la part "ruissellement". En ce qui concerne l'érosion nous présentons un essai

d'application, mais vu l'insuffisance des mesures et le problème déjà évoqué de leur précision nous ne

faisons aucune validation. Le but est de présenter les éléments utilisés pour appliquer le module

"EROSION" et quelques premières remarques sur cette application. Quant à la modélisation de

l'infiltration dans le canal pré-banquette, nous paramétrons et calibrons HYDRUS 2D via les

inondations artificielles, puis le modèle est validé sur des événements naturels.

11.1. Application de MYDAS-UH

11.1.1. Paramétrage et calage de MHYDAS-UH-HYDROLOGIQUE

Les propriétés hydrodynamiques du sol déterminées sur l'espace inter-banquettes sont utilisées

dans cette première étape de modélisation. Les caractéristiques géométriques de la parcelle (aire,

pente, distance de la propagation du ruissellement), ont été déterminées à partir d'un MNT de cette

parcelle. Nous rapportons dans l'annexe (III-B) les paramètres d'entrée utilisés pour appliquer le

modèle.

L'humidité initiale a été déterminée en fonction des pluies précédentes. En fait, faute de

possibilité de mesurer ce paramètre avant les événements, nous l'avons utilisé comme paramètre de

calage et à partir de la bibliographie. Quant à ce dernier moyen, nous avons consulté une série de

mesures par TDR, mise une relation avec la pluie, effectuées sur le site entre Mars 1998 et Décembre

2000 (Annexe III-B).

Les données pluie-ruissellement, sont discrétisées au pas de temps de 1 minute et fournies en

entrée du modèle.

Les objectifs qui sont recherchés au cours du calage concernent deux critères :

(i) Une bonne adéquation des volumes du ruissellement mesurés et simulés;

(ii) Une concordance de forme des hydrogrammes et des débits de pointe mesurés et

simulés

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PARTIE III. APPROCHE NUMERIQUE

116

Les premiers essais du paramétrage réalisés avec Ks déterminé expérimentalement sur l'espace

inter-banquettes, a montré une surestimation de ce paramètre. En revanche, la meilleure adéquation

entre le ruissellement mesuré et simulé (hydrogramme et volume) a été obtenue par un Ks de 4,7

mm/h (environ 20% de la valeur médiane de Ks mesurée). La figure (III-17) compare les débits

mesurés et simulés pour l'un des événements ayant servi au calage du modèle.

Fig. III-17. Simulation des événements de novembre 2004: la partie haute présente la partition de la pluie en ruissellement et infiltration, la partie basse montre les hydrogrammes des débits

observés et calculés par le modèle.

Le coefficient de Nash (Nash & Sutcliffe, 1970) a été utilisé comme critère pour quantifier la

précision de la simulation. Ce coefficient représente le rapport de la variance résiduelle à la variance

des débits observés. Quand la valeur du Nash augmente et tend vers 1, ceci indique que la simulation

se rapproche des observations. La valeur de Nash estimée lors du calage du modèle varie entre et 0,69

et 0,94.

Le modèle de l'infiltration de Morel-Seytoux ayant révélé la meilleure performance en termes

de précision, il est retenu pour la suite de la modélisation.

5.1.2. Validation de modèle MHYDAS-UH-HYDROLOGIQUE

Les événements retenus pour la validation n'ont pas été utilisés pour le calage et représentent

une large marge des conditions d'humidité initiale et de caractéristiques de pluie (intensité, hauteur et

durée). Nous avons choisi comme indicateurs de la qualité de la simulation, en plus du coefficient de

Nash, l'erreur relative sur le volume ruisselé et celle sur le débit de pointe. Le tableau (III-9) récapitule

les résultats de la validation sur les événements simulés dans cette étape.

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Chapitre 11. Modélisation effectuée

117

Tableau III-9. Résultats de validation de MHYDAS-UH

Date de l'événement Coefficient de Nash Erreur sur le

volume ruisselé (%)

Erreur sur le débit max. du ruissellement

(%)

28/08/2005 0,76 -0,3 -30,0

06/11/2005 0,75 2,8 -25,7

08/01/2006 0,75 13,3 -10,0

20 et 21/01/2006 0,63 -0,5 0,0

04/02/2006 0,85 -0,4 -6,9

Ce tableau montre que le critère de Nash calculé pendant la phase de validation varie entre un

minimum de 0,63 (événements du 20 et 21/01/2006) et un maximum de 0,85 (événement du

04/02/2006). La valeur moyenne de ce critère est 0,75 pour l’ensemble des simulations effectuées. Les

meilleures simulations correspondent aux fortes crues, cependant les résultats sont moins bons pour les

événements à faible débit ou ceux marqués par une intermittence de la pluie. Cette particularité du

modèle a été notée aussi par Chahinian (2004).

L'erreur relative moyenne sur le volume ruisselé est 3,4%. Cette valeur est inférieure à l'ordre

de grandeur de l'erreur commise sur les mesures du ruissellement. La moyenne des erreurs sur le débit

de pointe est de 14,5%. Dans l'ensemble, ces résultats sont satisfaisants. Le modèle a donc bien prédit

les volumes ruisselés et a montré une bonne capacité à reproduire des hydrogrammes des événements.

Cet exercice de validation a permis de vérifier et valider les paramètres du module

"HYDROLOGIQUE" de MHYDAS-UH.

11.1.2. Essai d'application de MHYDAS-UH-EROSION

Pour des raisons avancées précédemment, nous n'avons pas approfondi la modélisation de

l’érosion dans cette thèse. Néanmoins, nous présentons ici un des essais préliminaires d'application du

module "EROSION" de MHYDAS (figure III-18). L'objectif est de montrer les éléments utilisés dans

cette modélisation, et de présenter les premiers résultats sur le comportement du modèle.

La parcelle est discrétisée selon sa largeur en 20 rigoles de 1 m de largeur chacune. Chaque

rigole est divisée en 7 tronçons de 10 m chacun. Une pente identique de 8% est considérée pour les 6

premiers tronçons (situés sur l'espace inter-banquettes) et une pente de 5% est attribuée pour le 7ème

tronçon en aval (dans le canal). Un fichier détaillé des paramètres d'entrée utilisés pour alimenter le

module "EROSION" est présenté dans l'annexe (III-B).

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PARTIE III. APPROCHE NUMERIQUE

118

0

1

2

x 10-5

Pluie = 14 mm; Ruissellement = 9 mm

Plu

ie m

/s

0

0.01

0.02

0.03

Déb

it (m

3/s

)

19:40 19:50 20:00 20:10 20:20 20:30 20:40 20:50 21:00 21:10 21:200

0.5

1

1.5

Erosion simulée = 217 kg; MESmax simulé = 1 kg

Temps (HH:MM)

ME

S (

kg)

Pluie

Débit simulé

Débit mesuré

MES simulé

Fig. III-18. Essai d'application de MHYDAS-EROSION; simulation de l’événement du 4 février 2006.

Bien qu’on ne possède pas des moyens pour calibrer et valider le module "EROSION", les

essais d'application de MHYDAS-ERSION ont permis de dégager quelques remarques qui pourraient

être utiles pour la poursuite de ce travail;

- L'érosion simulée et les prédictions de MES ont démontré une grande sensibilité au

paramètre de rugosité de Strickler. Ce paramètre égal à l'inverse du coefficient de

Manning, varie considérablement dans la littérature selon la source. Il devrait donc être

calé sur des mesures expérimentales et utilisé avec précaution. Nous rapportons dans la

même annexe (III-B) des ordres de grandeurs, trouvés dans la littérature, de ce coefficient.

- La forme du sédimentogramme suit celle de l'hydrogramme de l'événement avec un pic

légèrement différé dans le temps.

- Les processus de dépôts sont exercés dans le dernier tronçon en aval représentant le canal.

Les deux dernières remarques indiquent, qu'indépendamment de la fiabilité de ces résultats, le

modèle fonctionne de façon cohérente.

11.2. Application de Hydrus 2D

11.2.1. Domaine modélisé et conditions initiales et aux limites

Le système modélisé correspond à un profil du sol perpendiculaire à l’axe du canal et

s’étendant à travers le talus de la banquette. Ce domaine bidimensionnel a été réalisé en effectuant une

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Chapitre 11. Modélisation effectuée

119

coupe transversale sur un MNT de la banquette avec son canal. Les coordonnés spatiales obtenues sont

intégrées dans HYDRUS 2D pour tracer les limites du domaine (figure III-19). Ces limites ont été

choisies de façon à englober toute la zone où les variations du stock d'eau lors d'un événement

important peuvent être significatives et de minimiser les effets de bord sur les frontières latérales et la

limite inférieure du domaine considéré.

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 220

1

2

3

4

5

6

7

8

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 220

1

2

3

4

5

6

7

8

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22

m

Charge variable dans le temps

Flux nul

Drainage libre

m0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 220

1

2

3

4

5

6

7

8

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 220

1

2

3

4

5

6

7

8

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22

m

Charge variable dans le temps

Flux nul

Drainage libre

m

Fig. III-19. Schéma du domaine modélisé; géométrie et conditions appliquées aux limites.

Les conditions initiales sont exprimées en potentiel de l’eau. Elles sont décrites par la

distribution observée de la charge de pression. Pour les horizons au-delà des profondeurs de mesure,

nous avons considéré une charge hydraulique constante jusqu’à la limite inférieure du profil considéré.

Les conditions aux limites sont décrites par une condition de charge variable dans le temps sur

la surface pour la partie inondée du canal, et par une condition de flux nul sur le reste de la limite à la

surface et en dehors du canal ainsi que sur les limites latérales (figure III-19). Les nœuds concernés

par la condition de charge variable dans le temps varient en fonction de l'étendue du périmètre mouillé

(fonction du niveau de l'eau dans le canal). La limite inférieure du domaine est décrite par une

condition de drainage libre (en profondeur). Les trois couches constatées dans le domaine, lors des

expérimentations, ont été représentées dans le système modélisé, (figure III-20).

Fig. III-20. Représentation et maillage des trois couches dans le domaine modélisé

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PARTIE III. APPROCHE NUMERIQUE

120

Ces couches ont été discrétisées en éléments finis par un maillage triangulaire généré

par le modèle qui respecte le relief du domaine. La distinction des trois couches est basée sur

les résultats présentés au chapitre précédent. Par ailleurs, le maillage correspondant au

périmètre mouillé a été affiné.

11.2.2. Paramétrage et calage du modèle, simulation des inondations

artificielles

Nous avons utilisé les paramètres des courbes de rétention (tableau III-8) obtenus

expérimentalement pour appliquer HYDRUS et simuler les deux inondations artificielles. Cette

simulation a pour objectif de déterminer la conductivité hydrique saturée pour chaque couche et

calibrer le modèle. Pour cela, la variation observée du niveau d'eau en fonction du temps dans le canal

est imposée comme condition en surface pour simuler les deux essais d'inondation artificielle (en

décembre 2004 et juin 2005). Notons que la simulation avec une condition de lame d'eau d'épaisseur

variable à la surface du sol n'est possible que si la variation de l'épaisseur est donnée par paliers.

Le critère utilisé pour caler le modèle était d’obtenir une meilleure adéquation entre les

volumes infiltrés simulés et observés. Or, l'infiltration simulée néglige les effets de bord dans la

direction de l'axe du canal. Aussi, les volumes infiltrés observés ont été estimés à partir des variations

de la hauteur de l'eau dans cette section du canal.

La figure III-21 compare les volumes infiltrés mesurés et simulés pendant 8 jours pour

l'infiltration de décembre 2004.

Simulation de l'essai de décembre 04

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

10/12/04 11/12/04 12/12/04 13/12/04 14/12/04 15/12/04 16/12/04 17/12/04 18/12/04 19/12/04

Temps

Infil

tratio

n c

um

ulé

e (m

3 )

Infiltration cumulée obsevée Infiltration cumulée simulée

Fig. III-21. Comparaison entre les volumes simulés et mesurés de l'infiltration pendant 8 jours pour la simulation de l'essai de décembre 2004 (mise à l'eau le 11/12/04).

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Chapitre 11. Modélisation effectuée

121

Cette figure illustre la qualité de la simulation après calage. Elle montre un bon ajustement entre

l'infiltration cumulée mesurée et celle simulée malgré l'hétérogénité du milieu à travers les trois

couches.

Dans le 8ème jour, à la fin de simulation, le bulbe d'infiltration simulée atteint 3 m de profondeur.

Les valeurs optimales de Ks déterminées par calage pour les trois couches sont respectivement 32, 10

et 30 mm/j.

Le Ks de la première couche est nettement inférieur à celui optimisé par MHYDAS dans l'inter-

banquettes. Ceci pourrait être expliqué par le fait que cette première couche est formée par le dépôt

des particules du sol érodées de l'inter-banquettes. Ces particules, constituées essentiellement des

éléments fins, entraînent un colmatage du sol et réduisent sa perméabilité.

11.2.3. Simulation des événements naturels par Hydrus 2D et validation du

modèle

Pour valider HYDRUS, nous avons choisi de simuler des événements naturels. La succession

de plusieurs événements avant que le canal soit à sec, est couramment constatée dans la parcelle

jachère. Ceci nous a amené à travailler à l'échelle de la séquence pluvieuse pour minimiser

l'incertitude sur les conditions initiales. Deux séquences pluvieuses ont été choisies pour vérifier la

validité du modèle. La première présente les événements de novembre 2004. La deuxième séquence

comprend les événements de février 2005. La présentation des caractéristiques de ces événements a

été faite dans la partie II de ce mémoire.

Dans une modélisation par HYDRUS de l'infiltration au sein d'un fossé suite à un événement

naturel, il est possible d'imposer des conditions aux limites du type climatique (ex. Lacas, 2005) ou du

type charge variable dans le temps (ex. Dagès, 2006). Nous avons opté pour le deuxième type comme

dans la phase de calibration ci-dessus. Ce choix est motivé par la disponibilité et la fiabilité des

données des variations des niveaux de l'eau dans le canal (disponibles pour tous les événements). Nous

avons aussi imposé le même type de conditions initiales utilisé dans la première phase.

Les chroniques de l'évolution des niveaux de l'eau dans le canal, au cours et après l'événement

jusqu'à la disparition de lame stockée en surface, sont fournies au modèle à un pas de temps horaire.

Bien que des données à des pas de temps plus courts soient disponibles, un compromis a dû être trouvé

entre une bonne représentation de la dynamique de l'infiltration, et le temps requis pour le calcul.

11111111....2222....3333....1111.... SimSimSimSimulation des événements de novembre 2004ulation des événements de novembre 2004ulation des événements de novembre 2004ulation des événements de novembre 2004

La simulation de l'infiltration dans le canal est effectuée pour les événements du 2, 12 et 13

novembre 2004, pendant 27 jours. La figure (III-22) représente une comparaison entre l'infiltration

simulée et celle mesurée pour ces événements.

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PARTIE III. APPROCHE NUMERIQUE

122

Comparaison entre l'infiltration simulée et celle observée (événements de Nov. 04)

y = 0,98x

R2 = 0,98

0

1

2

3

4

5

6

0 1 2 3 4 5 6

Infiltration observée (m3)

Infil

trat

ion

sim

ulée

(m

3 )

Comparaison entre infiltration observée et simulée (événements de Novembre 04)

0

1

2

3

4

5

6

30/10/04 04/11/04 09/11/04 14/11/04 19/11/04 24/11/04 29/11/04

Infil

trat

ion

cum

ulée

(m

3 )

Infiltration observée Infiltration simulée

Fig. III-22. Cumul de l'infiltration simulée et celle mesurée pour les événements de novembre 2004 (à gauche) et comparaison entre les volumes infiltrés simulés et ceux observés pour ces

événements (à droite).

On remarque que l'infiltration simulée est légèrement supérieure à celle observée pour le

premier événement du 2/11/04. Par contre, le cas inverse est constaté pour le deuxième épisode

pluvieux du 12/11/04. Ceci pourrait être expliqué par le fait que le modèle simule un taux d'infiltration

relativement plus élevé en conditions initiales sèches par rapport aux mesures.

D'ailleurs, pour la simulation de cette séquence, l'erreur relative sur le volume total infiltré est

de 3%. On constate aussi le bon ajustement entre l'infiltration mesurée et celle observée dans la figure

(III-22) avec un coefficient de détermination R² = 0,98. On peut en déduire que les valeurs

déterminées de Ks sont assez fiable.

11111111....2222....3333....2222.... Simulation des événements de février 2005Simulation des événements de février 2005Simulation des événements de février 2005Simulation des événements de février 2005

Cette deuxième séquence pluvieuse simulée a été choisie car elle comprend une pluie de

fréquence décennale. Ce choix vise à analyser la dynamique de l'infiltration en présence d'une grande

quantité d'eau stockée dans le canal pour cet événement et vérifier la présence d'éventuel flux latéral

au dessous de la banquette. À l'instar de ce qui a été présenté ci-dessus, la figure (III-23) montre le

résultat de cette simulation.

La comparaison entre volumes infiltrés observés et calculés présentés dans cette figure met en

évidence la bonne qualité de la simulation: l'erreur relative sur le volume total infiltré est 3% ainsi le

coefficient de détermination R² est égal à 0,99.

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Chapitre 11. Modélisation effectuée

123

Comparaison entre infiltration observée et simulée (événements de février 05)

y = 0,98x

R2 = 0,99

0

1

2

3

4

5

6

7

0 1 2 3 4 5 6 7

Infiltration observée (m3)

Infil

trat

ion

sim

ulée

(m

3 )

Comparaison entre infiltration observée et simulée (événements de février 2005)

0

1

2

3

4

5

6

7

7/2/05 12/2/05 17/2/05 22/2/05 27/2/05 4/3/05 9/3/05

Infil

trat

ion

cum

ulée

(m

3)

Infiltration observée Infiltration simulée

Fig. III-23. Représente, comme pour la première séquence simulée, le cumul de l'infiltration simulée et celle mesurée pour les événements de février 2005.

Pour évaluer la cinétique et le sens de l'infiltration, on montre dans la figure (III-24) la

propagation du bulbe de l'infiltration simulée à la fin de la simulation (t=27 jours). Cette date

correspond à la disparition de l'eau stockée en surface dans le canal.

0.05 0.450.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40

Figure III-24. Carte des humidités calculées à la fin de la simulation pour les événements de

février 05.

Le bulbe d'infiltration simulée a induit une humectation profonde du sol en propageant

principalement dans la direction verticale. La carte des humidités montre qu'il n'y a pratiquement pas

de variation de l'humidité ni en dessous de la banquette ni à son aval. Ceci est en accord avec les

observations expérimentales suggérées par les mesures tensio-neutroniques.

Un léger volume est même drainé à la base du profil. Ceci met en évidence un impact

environnemental de la banquette. En effet, cela signifie qu'une fraction des eaux retenues est

susceptible d'arriver à la nappe après avoir déchargé ses sédiments. Ceci est de grande importance sur

le plan environnemental.

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PARTIE III. APPROCHE NUMERIQUE

124

11.3. Application pratique de la modalisation effectuée et tests des

scénarios

Après avoir calé et validé les deux modèles (MHYDAS et HYDRUS 2D) séparément, nous les

exploiterons pour tester quelques scénarios à des fins de planification et pour l'étude du comportement

de l'aménagement en banquettes dans des situations exceptionnelles. Pour des raisons exposées plus

haut, ces tests n'abordent pas le fonctionnement sédimentaire de l'aménagement.

Test 1 : Calcul de l'espacement inter banquettes via MHYDAS et comparaison avec celui

calculé par la formule empirique de Bugeat

Pour effectuer ce test nous prenons un versant fictif de 2 ha de superficie

(200×100 m²) et d'une pente moyenne de 10 %. On suppose que ce versant s'étend longitudinalement

en direction de la pente. On calcule l'écartement inter-banquettes:

(i)- Par MHYDAS : Rappelons que le principe d'édification d'un élément de banquette est de

stocker une pluie de fréquence décennale sans débordement. Nous simulons la pluie décennale du

9/02/2006 sur ce versant en supposant qu'il a des caractéristiques identiques à notre parcelle en

jachère. On garde aussi les mêmes conditions initiales. Dans ce cas le modèle simule un volume

ruisselé de 1070 m3.

La capacité de stockage moyenne par mètre linéaire d'une banquette, prescrite dans les cahiers

des charges, est de 2,28 m3/ml. On a donc besoin d'environ 470 m de banquettes pour stocker ce

volume. Dans ce cas et comme la largeur du versant égale à 100 m, on devrait construire 5 lignes de

banquettes [470/100 ≈≈≈≈ 5]. La largeur de la base d'une banquette est 4,10 m. L'espacement entre deux

banquettes successives est donc d'environ 36 m [(200 – (5×4,10))/5].

(ii)- Par la formule de Bugeat (présentée dans (Ch. 2, § 2.5)) : Cette formule

(éq. I-2) ne dépend que de la pente du terrain. Son application sur ce versant donne un espacement

inter-banquettes égal à 30 m [8+ (2,2/0,10)]. Il résulte que le nombre des lignes de banquettes à

construire est 6 banquettes [200/(30+4,10) ≈≈≈≈ 6].

Bien que les résultats des deux méthodes semblent comparables, le calcul à partir de

l'estimation du volume ruisselé par MHYDAS est plus rationnel car il est basé sur des principes

physiques. De plus, si on utilise la formule empirique de Bugeat dans notre exemple, il fallait

construire une ligne de banquette en plus. Ceci implique une perte de surface égale à 410 m²

[100×4,10] et un surcoût de construction.

Cet exemple montre qu'on peut utiliser MHYDAS comme outil de conception de

l'aménagement en banquettes.

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Chapitre 11. Modélisation effectuée

125

Test 2 : Transfert latéral

Afin de tester les conditions pour lesquelles un transfert latéral vers l'aval à travers ou/et sous

la banquette peut avoir lieu, des tests des scénarios ont été effectués par HYDRUS. Ils ont montré que,

pour cette configuration du milieu, et quelle que soit la quantité de l'eau stockée dans le canal, toute

l'eau s'infiltre essentiellement en profondeur. Le flux latéral vers l'aval, ne peut avoir lieu qu'en

présence d'une couche imperméable en profondeur avec un apport suffisant de l'eau dans le canal.

Même en supposant un milieu homogène formé par la première couche, et en présence d'une lame

d'eau constante de 80 cm d'épaisseur dans l'axe du canal, le front d'humectation ne dépasse pas le

milieu de la banquette en l'absence d'un horizon imperméable.

Test 3 : Débordement d'une banquette

Rappelons que le débordement du canal de la banquette se produit quand la production du

ruissellement sur l'inter-banquettes dépasse la capacité du stockage et la capacité de l'infiltration dans

le canal. Pour vérifier dans quelles conditions le canal de la banquette peut déborder, nous avons testé

un seul cas extrême sur notre parcelle. Si le canal de la banquette est à sec, il déborde pour une pluie

pouvant engendrer un ruissellement supérieur à 71 mm quelle que soit la durée de la pluie. Rappelons

que l'événement décennal de février 2005 a engendré un ruissellement de 52mm, et que les banquettes

ont une durée de vie théorique de 10 ans.

Test 4 : Simulation d'un événement pluvieux extrême

L'objectif de ce test est d'évaluer le comportement de l'aménagement vis-à-vis des événements

extrêmes. Ceci est un des éléments constitutifs de l’étude de planification de l'aménagement en

baquettes (emplacement et dimensionnement des ouvrages, et prévention du risque de rupture).

Pour cela, nous avons choisi une pluie exceptionnelle de fréquence centennale ayant une lame

précipitée de l'ordre de 148 mm. En raison de l'absence du hyétogramme d'une telle pluie, nous l'avons

reconstitué à partir de l'événement décennal de février 2005, en supposant que les deux événements

étaient de même durée et que les intensités sont proportionnelles aux lames totales précipitées.

La simulation de cette pluie par MHYDAS donne une lame ruisselée de 112 mm, qui

correspond à environ 315 m3 d'apport dans le canal de la banquette. La capacité de rétention du canal

étant de 202 m3 dans notre cas, le risque de rupture de la banquette est très élevé, puisque le surplus

pourra difficilement être évacué. Sur un bassin aménagé, les risques de rupture et les dégâts

conséquents seront croissants de l'amont vers l'aval. Deux solutions pourraient être envisagées face à

une telle situation:

(i) Construire des banquettes à rétention partielle (avec déversoir) en aval des versants

surtout sur un long versant à aménager.

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PARTIE III. APPROCHE NUMERIQUE

126

(ii) Eviter que le déversement se fasse d’une banquette à l'autre en gardant le réseau

hydrographique et les chemins naturels de l'eau pour les utiliser pour un déversement

latéral.

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Synthèse et conclusion de la troisième partie

Le travail effectué dans cette dernière partie du mémoire, a permis d'approfondir la

connaissance sur les processus régissant le fonctionnement hydrologique du type d'aménagement

étudié à travers deux actions :

i Les expérimentations complémentaires effectuées dans les différents compartiments

constituant l'aménagement en banquettes.

ii La modélisation à bases physiques du ruissellement dans l'inter-banquettes et de

l'infiltration dans le canal.

En effet, la première action a permis d'analyser à différentes échelles, les processus en jeu et

de déterminer certains des paramètres nécessaires pour la modélisation. Les principales conclusions

sur ces expérimentations sont:

i-1) Dans l'espace inter-banquettes :

- Les fonctions de productions (eaux et sédiments) ont été analysées. Ceci a permis entre

autres de déterminer la conductivité hydraulique à saturation (Ks) et d'étudier sa variabilité

spatiale. La méthode de l'infiltrométrie simple anneau utilisée s'est avérée, facile à mettre en

œuvre, peu consommatrice en eau et peu coûteuse. Elle pourrait donc être utilisée comme un

moyen efficace pour évaluer la variabilité spatiale de Ks dans l'inter-banquettes en milieux

semi-arides. Cependant, les conductivités saturées déterminées par cette méthode paraissent

surestimées, si bien que leur utilisation serait plus judicieuse en relatif. Dans l'exemple

choisi, la variabilité de ce paramètre s'est avérée assez limitée. Il était par conséquent

raisonnable de considérer la parcelle comme un seul panneau ayant un Ks unique pour la

modélisation.

- Certains paramètres, nécessaires à la modélisation, n’ont pas été mesurés directement et ont

été estimés soit par calage soit à partir des données disponibles dans la littérature comme

l'humidité initiale du sol.

i-2) Dans le canal aval pré-banquette :

- Les mesures menées ont permis de quantifier le stock hydrique dans le sol et de caractériser

l'évolution de l'humidité du sol et celle de la charge de pression des deux côtés de la

banquette suite au stockage de l'eau. Ceci a mis en évidence le rôle de la banquette dans la

recharge du sol suite aux pluies, notamment sous le canal.

- Elles ont également permis d'analyser les caractéristiques physiques du sol et de déterminer

certains de ses paramètres hydrodynamiques. Ainsi nous avons pu distinguer sur notre site

trois horizons de sols avec des propriétés contrastées.

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PARTIE III. APPROCHE NUMERIQUE

128

ii-1) La modélisation effectuée sur l'inter-banquettes :

Avec MHYDAS-UH-HYDROLOGIQUE nous avons évalué le ruissellement et établi les

hydrogrammes de crues à l’entrée du canal pré-banquette. Cependant, il est à noter que la valeur de Ks

optimisée par modélisation est nettement inférieure à celle déterminée par les mesures locales. Ceci a

aussi été le cas, pour l'intensité limite de pluie qui provoque le ruissellement entre la placette de

simulation de pluie et la parcelle. Ceci a mis en évidence les limites inhérentes au changement

d’échelle qui devrait être pris en considération.

Le module EROSION de MHYDAS-UH n'a pas été validé. Pourtant, les quelques essais

d'application effectués ont montré que le modèle est sensible au paramètre de rugosité de Strickler. Ce

paramètre devrait être calé sur des mesures expérimentales et utilisé avec précaution. Le travail de

modélisation de l'érosion nécessitera d’être poursuivi par d’autres travaux. Ces travaux devraient

fournir des données fiables sur les matières transportées à l'échelle de l'événement afin de pouvoir

calibrer et valider le module EROSION de MHYDAS.

ii-2) La modélisation effectuée par HYDRUS 2D dans le canal :

Elle a permis dans un premier temps d'estimer les Ks des couches distinguées

expérimentalement. Ensuite, elle a précisé la redistribution du flux de l’eau retenue dans le canal de

banquette. En effet, les valeurs de Ks ont été déterminées par optimisation. Les simulations effectuées

avec ces valeurs de Ks, ont permis de reproduire l'infiltration suite aux événements naturels et

d'appréhender le comportement hydrodynamique du canal. Or, cette modélisation a montré que l'eau

s'infiltre en profondeur sans transfert latéral même lors d’un événement décennal.

Les résultats de la modélisation effectuée par les deux modules (MHYDAS et HYDRUS 2D),

combinés aux observations menées dans la partie II, ont permis d'effectuer des tests des scénarios. Ces

tests ont montré que la modélisation peut apporter des éléments de réponse pour la conception d'un

aménagement en banquettes et l'évaluation de son efficience.

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IV. CONCLUSION GENERALE ET PERSPECTIVES

Cette étude s’inscrit dans la continuité des travaux de recherche du LISAH sur la

compréhension des processus hydrologiques et érosifs à l'échelle d'unités de paysages ruraux. L'unité

concernée par cette étude est celle de l'aménagement en banquettes anti-érosives. Ces ouvrages sont

entrepris sur de grandes surfaces dans les zones méditerranéennes semi-arides et surtout en Afrique de

Nord. Cependant, les connaissances scientifiques sur leur fonctionnement dans diverses situations et

leur impact sur les ressources en eau et en sol restent encore insuffisantes.

Ce travail avait pour objectif d'analyser et comprendre le fonctionnement d'un aménagement

en banquette à rétention totale en zone méditerranéenne semi-aride de la Dorsale Tunisienne.

Dans une première étape, l’étude bibliographique a mis en lumière l'acuité des problèmes liés

à l'érosion et à la dégradation des eaux et du sol dans les zones méditerranéennes semi-arides et a

recensé les solutions proposées pour y remédier. Les banquettes anti-érosives figurent parmi les

aménagements les plus répandus au sud de la Méditerranée et notamment en Tunisie. Ceci nous a

amené à dresser une typologie des banquettes utilisées, et préciser la problématique inhérente à cet

aménagement. Cette étude bibliographique a aussi montré que peu de données expérimentales sont

disponibles sur les processus qui régissent leur fonctionnement hydrologique.

Dans ce contexte, la démarche mise en œuvre au cours de ce travail a suivi deux approches,

expérimentale et numérique, afin d’acquérir des connaissances sur le fonctionnement de ce type

d'aménagement en vue d'évaluer son impact sur la conservation des eaux et des sols.

L'étude expérimentale a concerné l'échelle de l'aménagement qui comprend l'impluvium inter-

banquettes, la banquette en aval et son canal. Elle visait à caractériser les bilans hydro-sédimentaires

de l'aménagement. Pour réaliser cette étude, un site aménagé en banquettes en 1997 a été choisi dans

le bassin versant d’El-Gouazine (Tunisie Centrale). Il est représentatif d’un système « culture–

élevage » en zone semi-aride. Un dispositif du suivi hydro-sédimentaire a été mis en place sur un

espace inter-banquettes de ce site constituant un long glacis de pente de 10%. Il comprend deux

parcelles aux caractéristiques morphopédologiques similaires. La première parcelle, d’une superficie

de 2840 m2, est mise en jachère depuis quelques années. La deuxième, labourée a une superficie de

2950 m2. L'originalité du dispositif réalisé tient au fait qu'il permet de caractériser le fonctionnement

hydro-sédimentaire de l'aménagement en banquettes appliqué à deux types de pratiques culturales,

fortement répandues dans le milieu méditerranéen semi-aride. Les observations ont été faites durant

deux campagnes agricoles 2004-2005 et 2005-2006.

Les travaux menés dans cette seconde partie de l'étude ont permis de :

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IV. CONCLUSION GENERALE ET PERSPECTIVES

130

- Etablir les bilans hydro-sédimentaires de l'aménagement étudié et de caractériser son

fonctionnement global dans les deux modalités testées.

- Mettre en évidence l’importance du travail du sol sur la réduction du ruissellement, de

l'érosion dans l'inter-banquettes, et ses effets sur la réduction de l'envasement du canal.

- Vérifier le bon fonctionnement de l'aménagement vis à vis des événements exceptionnels

intervenus durant la période d'observation.

- Fournir des jeux des données pour la modélisation et permettre une description du

comportement fonctionnel de l'aménagement en banquettes à rétention totale.

Le suivi sédimentaire par nivellement topographique s'est avéré inadapté à la dynamique de

l'érosion à l'échelle événementielle. Ceci a présenté par la suite un handicap dans la modélisation de

l'érosion. En revanche, ces nivellements ont permis d'établir un bilan sédimentaire de l'aménagement à

l'échelle annuelle.

Cette seconde partie a aussi fait l’objet d'un article soumis qui récapitule les principaux

résultats acquis sur le fonctionnement global de l'aménagement.

L'approche numérique adoptée visait à concevoir et définir les principes d’une modélisation à

bases physiques du ruissellement et de l'érosion à l'échelle de l'aménagement. Pour cela, une

représentation fonctionnelle de l'aménagement a été effectuée en le divisant en trois compartiments :

l'impluvium inter-banquettes, le canal et la banquette en aval de cet impluvium. Nous avons ensuite

cherché à enchaîner un modèle de ruissellement et d’érosion (MHYDAS-UH) sur l’espace inter-

banquettes à un modèle d’infiltration (HYDRUS 2D) dans le canal et la banquette. La modélisation a

concerné la parcelle de la modalité "jachère" du site.

Cette deuxième approche a nécessité des expérimentations spécifiques complémentaires qui

ont été conduites sur l'impluvium inter-banquettes et dans le canal aval pré-banquette. Les résultats

acquis dans cette étape du travail et les enseignements qui s’en dégagent sont différenciés ci-dessous

en fonction des compartiments définis pour la représentation fonctionnelle de l'aménagement :

i) Dans l'impluvium inter-banquettes :

Les expérimentations complémentaires menées ont permis de caractériser la conductivité

saturée par infiltrométrie simple anneau en plusieurs points de l'impluvium, ainsi que les productions

des eaux et des sédiments à l'échelle du m² par simulation de pluie. Elles ont permis d'étudier la

variabilité spatiale de la conductivité hydraulique à saturation (Ks). Ceci a permis de dresser la carte

de distribution spatiale de Ks par la méthode du krigeage dans la parcelle en jachère. La variabilité de

Ks s'est avérée assez limitée, si bien qu'il est justifié de considérer une valeur unique de Ks pour

l'ensemble de la parcelle à des fins de modélisation. La méthode de l'infiltrométrie simple anneau

utilisée s'est révélée facile à mettre en œuvre et bien adaptée au milieu semi-aride en raison de sa

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IV. CONCLUSION GENERALE ET PERSPECTIVES

131

faible consommation en eau. Elle pourrait donc être utilisée comme un moyen efficace pour évaluer la

variabilité spatiale de Ks dans ces milieux.

Les mesures effectuées aux échelles locales ont fourni des indices sur le ruissellement et

l'érosion. Cependant, et pour la modélisation hydrologique, les valeurs des paramètres obtenues à ces

échelles ne peuvent pas être adoptées à l'échelle de la grande parcelle. La modélisation à l'échelle de la

parcelle nécessite un calibrage du modèle utilisé.

Suite à la phase de paramétrage et calage, la validité de MHYDAS-UH-HYDROLOGIQUE a

été vérifiée. Ce module a permis de simuler à pas de temps court par des lois à bases physiques la

production et le transfert du ruissellement sur l'inter-banquettes.

Quant à la modélisation de l'érosion, bien que des contraintes liées aux mesures

expérimentales et à la mise au point du module "EROSION" de MHYDAS n'ont pas permis d'aboutir à

la modélisation envisagée, notre travail a fourni certains indices à cette fin. La validation de

MHYDAS-UH-EROSION nécessite un suivi plus fin de l'érosion à l'échelle de l'événement pluvieux.

Cela serait possible grâce à la mise en place d'une mesure précise de la turbidité et des matières

transportées au cours l'événement. Les acquis sur la production en sédiments obtenus par les

simulations de pluie peuvent être utilisés pour la part "érosion diffuse" de cette modélisation.

ii) Dans le canal aval pré-banquette et la banquette :

Deux essais d'infiltration ont été réalisés dans une portion limitée du canal et instrumentée par

des tensiomètres et des tubes d'accès pour humidimètre neutronique. L'installation a été effectuée

suivant des transects étendus à travers la banquette de l'amont vers l'aval à des profondeurs variant de

10 cm à 120 cm. Les mesures tensio-neutroniques pendant les essais ont été poursuivies en conditions

naturelles. Les mesures effectuées ont permis :

- La caractérisation de l'évolution des propriétés hydrodynamiques du sol (humidité et

charge de pression) des deux côtés de la banquette.

- La quantification du stock hydrique dans le sol en amont et en aval de la banquette. Ceci a

mis en évidence le rôle de la banquette dans la recharge du sol suite aux pluies.

- La distinction de trois horizons de propriétés de rétention contrastées, le massif de la

banquette nettement différencié des deux horizons du canal.

Le domaine modélisé a été défini comme une section qui s’étend de part et d'autre du canal

perpendiculairement à son axe.

Une première étape consistait à déterminer la valeur de Ks pour chacune des trois couches du

domaine. Pour cela, les propriétés de rétention du sol et la dynamique de l'infiltration durant les deux

essais ont permis, par application de HYDRUS 2D, de déterminer une valeur de Ks pour chaque

horizon du domaine.

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IV. CONCLUSION GENERALE ET PERSPECTIVES

132

Dans une deuxième étape, la validité du modèle a été vérifiée par simulation d'une crue

exceptionnelle qui a eu lieu au cours des années d'observation. Ceci a montré que l'eau retenue dans le

canal s'infiltre sans transfert latéral perceptible.

La combinaison des approches expérimentale et numérique a permis de tracer un schéma du

fonctionnement de l'aménagement étudié et quelques recommandations :

� Les banquettes combinent des effets de rétention des sédiments et des eaux de ruissellement.

Une grande partie des eaux retenues dans le canal s'infiltre en profondeur après avoir

déchargé ses sédiments et contribuent ainsi à augmenter les réserves hydriques du sol.

Ceci est d'une grande importance sur le plan environnemental.

� Le fonctionnement des banquettes peut être amélioré par certaines pratiques et notamment le

travail du sol dans l'espace inter-banquettes. En effet, le labour en courbe de niveau réduit

l’érosion "à la source" alors que les banquettes interdisent le déplacement des matières

érodées sur les versants.

� Lors de la préparation des plans d’aménagement en banquettes, les écartements inter-

banquettes doivent être calculés en tenant compte des capacités réelles de ruissellement

des impluviums et non seulement de la pente. La modélisation que nous avons

développée, constitue un outil pertinent à cet égard.

Certaines limites de ce travail sont apparues comme le manque de précision des mesures de

l'érosion à l'échelle événementielle qui a empêché la compréhension précise des mécanismes de

l'érosion à cette échelle. Ceci pourrait être pallié par un dispositif et un protocole expérimental qui

permettent d'établir le turbidigramme au cours de l'événement. Cette lacune a aussi empêché de

réaliser une modélisation complète de l'érosion.

Une autre limitation de ce travail peut être mentionnée concernant la modélisation;

l'enchaînement de MHYDAS et HYDRUS 2D, permet uniquement de simuler l'événement de crue

(remplissage du canal et infiltration pendant ce flux). En revanche la vidange du canal ne peut pas être

simulée sans avoir recours aux mesures expérimentales de niveaux d'eau dans le canal. En effet,

HYDRUS-2D ne simule pas la vidange du canal suite à une crue "à la sortie de MHYDAS" sans lui

fournir les conditions aux limites en surface pendant cette vidange. Ceci est dû au fait que HYDRUS-

2D ne possède pas de condition aux limites calculant automatiquement et prenant en compte la baisse

du niveau d'eau dans le canal suite à l'infiltration.

Bien que ce travail ne concerne que le site expérimental de l'El-Gouazine, les éléments sur le

fonctionnement physique des banquettes que nous avons mis en évidence, sont représentatifs et

extrapolables à d'autres sites aménagés sur les mêmes substrats. Ceci est dû au caractère représentatif

du site choisi et des deux pratiques de travail du sol testées, qui sont largement répandues dans le

milieu méditerranéen semi-aride.

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IV. CONCLUSION GENERALE ET PERSPECTIVES

133

Par ailleurs, les études antérieures du ruissellement sur un espace inter-banquettes, à notre

connaissance, n’ont été réalisées que sur micro-parcelles (≈≈≈≈ 1 m²) avec simulateur de pluie. Alors que

les mesures effectuées dans cette thèse ont été menées à différentes échelles.

Les perspectives

Pour terminer, les perspectives qu’ouvre ce travail de recherche sont multiples. Tout d’abord,

il serait intéressant d'acquérir des données pour valider le module EROSION, puis d’appliquer les

outils de modélisation développés pour mieux comprendre le rôle des banquettes dans le contrôle de

l'érosion.

Une expérimentation a été envisagée au cours de cette thèse; il s'agit de caractériser le

phénomène du tassement de la banquette et sa dynamique. Elle n'a pas pu être réalisée faute de temps

requis pour ce type du suivi, mais elle reste toujours d'actualité. Il devrait permettre d'évaluer l'impact

de ce phénomène sur l'écoulement latéral à travers la banquette vers l'aval. Ceci est possible en

étudiant la dynamique de cet écoulement pour une banquette récemment construite et en s'appuyant

sur les acquis de notre étude.

Pour évaluer le risque de déversement, il semble important d'étudier et modéliser le

fonctionnement hydrologique global d’une cascade de banquettes. Cette modélisation devrait être

capable d'estimer les volumes déversés de l’amont vers l’aval.

Il serait aussi intéressant de mener une étude de comparaison entre le type de banquettes

étudié et celui de banquettes à rétention partielle en termes de fonctionnement hydrologique. Ceci

suppose la mise en œuvre de séries de tests complémentaires sur les installations expérimentales

existantes sur notre site et d'effectuer les mêmes mesures sur un site aménagé en banquettes à rétention

partielle.

Dans le bassin versant d'El-Gouazine, après avoir étudié le fonctionnement physique de

l’aménagement en banquettes, il serait intéressant d'étudier son fonctionnement socioéconomique. Ce

dernier devrait examiner la variabilité et la priorité de l’usage de l’eau dans ce bassin et déterminer le

rapport de l'usage de l’eau sur les versants aménagés et celle stockée dans le lac collinaire à son

exutoire (pour l’agriculture et/ou pour le bétail). Le croisement des deux aspects: aménagement et

usage de l’eau, devrait permettre de savoir dans quelles conditions agro-climatiques et physiques

(variables dans le semi-aride Tunisien), ces banquettes sont les plus efficaces pour une valorisation

agricole de l’eau.

Notre travail n'est donc qu'une étape qu'il serait intéressant de poursuivre dans l'optique

d'évaluer les différents impacts de l'aménagement en banquettes dans la conservation des eaux et des

sols.

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Liste des figures

Partie I

Fig. I-1. Une série des banquettes au bassin versant d'El Gouazine........................................................ 9 Fig. I-2. Type des banquettes d'écoulement .......................................................................................... 12 Fig. I-3. Type des banquettes à rétention partielle................................................................................ 12 Fig. I-4. Banquette à déversoir en pierres maçonnées en béton ............................................................ 13 Fig. I-5. Type de banquettes à rétention totale ...................................................................................... 15 Fig. I-6. Hauteur utile des banquettes en fonction de l’intensité de la pluie pour différentes pentes du

terrain (Cherif et al., 1995)............................................................................................................ 17 Fig. I-7. Profil d'une banquette, montrant ses dimensions ainsi que la pente originale du terrain (A), le

canal de la banquette (B) et le talus (C). ....................................................................................... 18 Fig. I-8. Banquettes construites sur marnes au bassin versant de Dkékira............................................ 19 Fig. I-9. Banquette construite sur sol peu profond à Dkékira................................................................ 19 Fig. I-10. Trous creusés par des rats dans le talus d'une banquette à El Gouazine ............................... 20 Fig. I-11. Evolution de la sédimentation du barrage (in Mansouri 2001) ............................................. 25

Partie II

Fig. II-1. Parcelle de mesure du ruissellement et du transport solide sur 1m², installée sur notre site experimental .................................................................................................................................. 32

Fig. II-2. Représentation schématique, illustre les processus du ruissellement et de l'érosion sur un espace inter-banquette "AB"; "A" est la banquette amont et "B" est la banquette aval ................ 33

Fig. II-3. Variation inter-annuelle de la pluviométrie enregistrée à Oueslatia entre 1928 et 2000 ....... 37 Fig. II-4. Localisation du bassin versant d’El-Gouazine (d'près Nasri & Baccari, 2005). .................... 40 Fig. II-5. Carte géologique du bassin d’El-Gouazine (in Ayari et al., 2004) ........................................ 41 Fig. II-6. Carte d’occupation des sols du bassin d’El-Gouazine (in Ayari et al., 2004)........................ 42 Fig. II-7. Le bassin versant d’El-Gouzine (à gauche) et le schéma du site de l’étude avec les deux

parcelles de mesures (à droite). ..................................................................................................... 46 Fig. II-8. Canal et station de la parcelle en jachère ............................................................................... 47 Fig. II-9. Canal et station de la parcelle labourée.................................................................................. 48 Fig. II-10. Vue du canal de la parcelle en jachère et sa station hydrométrique après un événement

pluvial en novembre 2004 ............................................................................................................. 49 Fig. II-11. Le hyétogramme de la pluie décennale du 8 février 2005 ................................................... 53 Fig. II-12. Evénements de pluie ayant généré un ruissellement quantifiable sur au moins une des deux

modalités "jachère" et "labour" ..................................................................................................... 56 Fig. II-13. Comparaison entre ruissellements sur les modalités "jachère" et "labour".......................... 57 Fig. II-14. Intensité maximale de ruissellement en fonction de l’intensité maximale de la pluie sur un

pas de temps de 5 minutes............................................................................................................. 57 Fig. II-15. Volumes stockés en novembre 2004, dans les canaux des deux parcelles (modalité "jachère"

en noir et modalité "labour" en vert). ............................................................................................ 59 Fig. II-16. Relation entre la vitesse de l’infiltration et la hauteur d’eau dans le canal pré banquette pour

les deux modalités ......................................................................................................................... 59 Fig. II-17. Représentation de la zone du suivi topographique et celle du calcul du bilan sédimentaire

(masque) dans le canal de la parcelle labourée ............................................................................. 61

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Liste des figures

147

Partie III Fig. III-1. Schématisation des processus du ruissellement et de l'érosion sur un espace inter-banquette

....................................................................................................................................................... 81 Fig. III-2. Représentation des mécanismes de l'érosion à l'échelle de l'espace inter-banquettes dans

MHYDAS-UH-EROSION............................................................................................................ 84 Fig. III-3. Représente l’intensité de la pluie provoquant le ruissellement............................................. 94 Fig. III-4. L’érosivité de la pluie et du ruissellement dans les deux modalités ..................................... 95 Fig. III-5. Un ex. du turbidigramme montre la variation de MES pour les averses de 60 mm/h dans la

modalité "jachère" ......................................................................................................................... 96 Fig. III-6. Le plan d’échantillonnage des essais d’infiltration dans la parcelle en jachère. Les

localisations des essais sont représentées par les croix. ................................................................ 99 Fig. III-7. Lame infiltrée mesurée (points) et optimisée (courbe continue). Cet essai correspond au

point entouré dans la figure (III-6). ............................................................................................. 100 Fig. III-8, a. l’histogramme de Ks. Fig. III-8, b. l’histogramme de Ln Ks ................................ 101 Fig. III-9. Le variogramme expérimental calculé pour ln Ks (la ligne en tirets correspond à la

variance). ..................................................................................................................................... 103 Fig. III-10. Le modèle sphérique (courbe continue) ajusté sur le variogramme expérimental (points).

..................................................................................................................................................... 103 Fig. III-11. Cartographie de la distribution spatiale de Ks et ses valeurs estimées par krigeage dans

l'impluvium de la parcelle en jachère .......................................................................................... 104 Fig. III-12. Vue générale du dispositif et localisation des capteurs dans la placette de l'infiltration; dans

le canal (à droite) et en aval de la banquette (à gauche).............................................................. 106 Fig. III-13. Evolution de la teneur en eau à différentes profondeurs en amont de la banquette (les

flèches en rouge indiquent les dates des inondations artificielles).............................................. 108 Fig. III-14. Evolution de la teneur en eau à différentes profondeurs en aval de la banquette (les flèches

en rouge indiquent les dates des inondations artificielles). ......................................................... 108 Fig. III-15. Evolution des profils hydriques du sol suite aux événements d'octobre 05; en aval de la

banquette (à gauche) et dans son canal (à droite)........................................................................ 110 Fig. III-16. Types des courbe de rétention hydriques obtenues: a (0-60 cm), b (talus de la banquette et

c (>60 cm). .................................................................................................................................. 113 Fig. III-17. Simulation des événements de novembre 2004: la partie haute présente la partition de la

pluie en ruissellement et infiltration, la partie basse montre les hydrogrammes des débits observés et calculés par le modèle. ............................................................................................................ 116

Fig. III-18. Essai d'application de MHYDAS-EROSION; simulation de l’événement du 4 février 2006...................................................................................................................................................... 118

Figure III-19. Schéma du domaine modélisé; géométrie et conditions appliquées aux limites. ......... 119 Fig. III-20. Représentation et maillage des trois couches dans le domaine modélisé. ........................ 119 Fig. III-21. Comparaison entre les volumes simulés et mesurés de l'infiltration pendant 8 jours pour la

simulation de l'essai de décembre 2004 (mise à l'eau le 11/12/04). ............................................ 120 Fig. III-22. Cumul de l'infiltration simulée et celle mesurée pour les événements de novembre 2004 (à

gauche) et comparaison entre les volumes infiltrés simulés et ceux observés pour ces événements (à droite). ..................................................................................................................................... 122

Fig. III-23. Représente, comme pour la première séquence simulée, le cumul de l'infiltration simulée et celle mesurée pour les événements de février 2005. ................................................................... 123

Fig. III-24. Carte des humidités calculées à la fin de la simulation pour les événements de février 05...................................................................................................................................................... 123

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148

Liste des tableaux

Tableau. II-1. Principales caractéristiques hydrologiques du bassin versant et de sa retenue en aval. .43

Tableau II-2. Résumé des éléments du dimensionnement des deux stations ........................................50

Tableau II-3. Les caractéristiques hydrologiques des averses ruisselantes et celles des crues sur au moins l’une des deux parcelles pendant l'année hydrologique 2004 / 2005. Les débits et les intensités sont calculés sur un pas de temps de 5 minutes............................................................54

Tableau II-4. Les caractéristiques hydrologiques des averses ruisselantes et celles des crues sur au moins l’une des deux parcelles pendant l'année hydrologique 2005 / 2006. Les débits et les intensités sont calculés sur un pas de temps de 5 minutes.............................................................55

Tableau II-5. Bilans annuel des évènements ruisselants sur les deux modalités...................................58

Tableau II-6. Les bilans sédimentaires successifs de la parcelle en jachère dans la première année de mesures..........................................................................................................................................62

Tableau II-7. Les bilans sédimentaires successifs de la parcelle labourée dans la première année de mesures..........................................................................................................................................62

Tableau II-8. Bilans en sédiments, issus des levés manuels, dans la parcelle en jachère......................63

Tableau II-9. Bilans en sédiments, issus des levés manuels, dans la parcelle labourée ........................64

Tableau II-10. Bilans hydro-sédimentaires dans les deux parcelles pendant deux années d'observation; (Période 1: de Juillet 004 à Juillet 005, Période 2: d'Octobre 005 à Juillet 006)...........................65

Tableau III-1. Protocole d'un essai de simulation de pluie....................................................................92

Tableau III-2. Les caractéristiques principales de la production du ruissellement................................93

Tableau III-3. Erosivités de la pluie et du ruissellement dans les deux modalités ................................95

Tableau III-4. Indices des érosivités de la pluie et du ruissellement selon le type et l'échelle de mesure.......................................................................................................................................................97

Tableau III-5. Données statistiques des paramètres déterminés..........................................................101

Tableau III-6. Variation de stocks d'eau et d'humidité du sol en amont et en aval de la banquette entre 27/09 et 27/10/2005.....................................................................................................................111

Tableau III-7. Composantes du bilan hydrique en amont et en aval de la banquette entre 27/09 et 27/10/2005...................................................................................................................................112

Tableau III-8. Paramètres de rétention des trois couches....................................................................113

Tableau III-9. Résultats de validation de MHYDAS-UH...................................................................117

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149

ANNEXES

Annexe I-A. Certains types de terrassements et construction d’un réseau de banquettes.....150

Annexe II-A. Principe de la quantification du bilan dépôt/érosion par Surfer et un exemple de fichier sortant contenant les résultats du calcul...................................................................153

Annexe II-B. données sur la pluie dans le milieu de l'étude.......................................................157

Annexe III-A. Les caractéristiques de mise en place des tensiomètres et des tubes d'accès de sonde à neutrons installés dans la placette d'infiltration et le principe de mesure. .......158

Annexe III-B. Les paramètres d'entrée utilisés pour alimenter MYDAS-UH ..........................165

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150

Annexe (I-A)

Annexe I-A. Types de terrassements et construction d’un réseau de

banquettes

1. Sections transversales de quelques types des terrasses (d'après FAO, 1977)

1- Terrasses horizontales en escalier

2- Terrasses à profil déversé vers l'aval

3- Terrasses à profil déversé vers l'amont

4- Terrasses horizontales en réseau discontinu

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Annexe (I-A)

151

2. Implantation d’un réseau de banquettes

L’implantation d’un réseau de banquettes comprend trois étapes (Cherif et al., 1995) :

2.1. Emplacement de la banquette du sommet

La construction d’un réseau de banquettes commence par la banquette la plus haute.

L’emplacement et la réalisation de la première banquette de haut de pente sont de première

importance. En effet une rupture de la banquette du sommet engendre la dégradation des ouvrages

inférieurs.

En général si la pente est uniforme, l’intervalle entre le sommet et la première banquette est

égal à l’écartement inter-banquettes. Cependant, quand le sommet est constitué par une crête, cet

intervalle est égal à 1.5 fois l’écartement inter-banquettes.

2.2. Point topographique de départ

Un nivellement topographique préliminaire est nécessaire pour tracer les lignes d’implantation

des banquettes. La banquette la plus élevée est la première à être tracée. Le tracé topographique

commence généralement au point de décharge, c'est-à-dire à l’exutoire. Si le nivellement préliminaire

montre que des obstacles pourraient tomber sur la ligne d’une banquette prévue, il faut commencer le

nivellement au dessus ou en dessous d’un tel obstacle. Pour cela une tolérance de 10 à 15 % sur

l’écartement calculé est admise pour éviter les obstacles.

2.3. Piquetage

Cette étape a pour but de faciliter l’édification des banquettes en installant une ligne de piquets

qui coïncide avec la ligne centrale du canal de la banquette. Il est conseillé également de piqueter les

extrémités du déblai et du remblai pour faciliter la construction.

La distance entre deux piquets successifs est généralement de 15 m, mais elle peut être

diminuée si les pentes sont hétérogènes et augmentée si les pentes sont uniformes.

3. Technique de construction des banquettes mécaniques

Les banquettes mécaniques récemment construites, suivent des normes définies par la CES. La

technique de la construction décrite par Mtimet et al., (2003), comprend :

1. Traçage des banquettes suivant les courbes de niveau en adoptant la formule de Bugeat,

avec une pente longitudinale de 1 à 5 ‰ vers les exutoires naturels pour évacuer l'excès

d’eau retenue par les banquettes.

2. Suppression des végétations existantes dans l’emprise de la banquette pour obtenir une

assise propre, dénuée de toute végétation ce qui permet d’avoir un talus aussi imperméable

que possible.

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Annexe (I-A)

152

3. Ripage, avec bulldozer, de l’emprise de la banquette en deux passages sur une profondeur

de 60 à 80 cm pour avoir une meilleure cohésion entre le talus et le terrain naturel.

4. Confection d’un talus perpendiculaire à la pente par l’apport de terre du canal entièrement

scarifié (deux passages de ripper) sur une distance ne dépassant pas 3 m. La hauteur du

talus est 1,50 m, la largeur de sa grande base (l’emprise) est 4,10 m, les pentes du talus

sont de 1/1 à l’amont et ½ à l’aval pour tenir compte de la pression de la lame d’eau

accumulée lors des crues.

5. Compactage du talus : le bulldozer se déplace longitudinalement à la banquette, une

chenille dans le canal et l’autre sur le tiers inférieur amont de la banquette.

6. Finition du talus: une chargeuse fait un passage du côté aval, les roues étant sur le sol et la

pelle orientée de façon à avoir la pente du talus demandée, la même opération se répète

sur l’amont mais la pelle orientée à 45°.

7. Finition des banquettes, effectuée à l’aide d’un bulldozer en tassant la crête de la

banquette afin d’obtenir une forme trapézoïdale.

8. Sous-solage du canal avec bulldozer équipé de ripper à 3 dents sur une profondeur de 60 à

80 cm (deux passages).

9. Réalisation des exutoires et des ouvertures en quinconce en conservant les cours d’eau

(ravin, oued, affluent) pour jouer le rôle d’un exutoire naturel. Pour des tronçons de

longueurs importantes (>100 m), il est nécessaire de procéder à des ouvertures en

quinconce d’une longueur de (7 m) qui joueront le rôle de trop plein et serviront pour le

passage du bétail et du matériel agricole.

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153

Annexe (II-A)

Annexe II-A. Principe de la quantification du bilan dépôt/érosion par

Surfer et un exemple de fichier sortant contenant les résultats du calcul.

1. Principe de la quantification du bilan dépôt/érosion

L'estimation de ce bilan consiste à calculer les volumes bornés entre deux surfaces

correspondant à deux des modèles numériques de terrain (MNT). Autrement dit, elle consiste dans le

calcul de la différence entre deux MNT qui sont issus de deux levés topographiques du même terrain à

deux différentes dates. Chaque MNT représente la géométrie du relief au moment du levé.

Nous avons calculé les MNT par le logiciel Surfer 8 (2003) qui permet aussi de déterminer le

volume délimité entre deux MNT. Le mode opératoire détaillé de cette procédure est disponible au

LISAH (réf. MO-006.1).

1-1. Calcul du MNT

Le logiciel offre plusieurs méthodes d'interpolation pour le calcul du MNT. Nous avons opté

pour la triangulation optimale de Delaunay. Cet algorithme crée des triangles en traçant des lignes

entre les points levés. Les points originaux sont reliés de telle manière qu'aucun bord de triangle ne

soit intersecté par d'autres triangles. Le résultat est un patchwork de surfaces triangulaires couvrant

l'étendue de la grille.

Chaque triangle définit un plan sur les nœuds de grille liés à ce triangle. L'inclinaison et

l'altitude du triangle sont déterminées par les trois points de mesures originaux définissant ce triangle.

Tous les nœuds de grille dans un triangle donné sont donc définis par la surface triangulaire. Puisque

les données originales sont utilisées pour définir les triangles, les données sont respectées très

étroitement. Cette méthode est donc considérée comme un interpolateur exact.

La triangulation avec l'interpolation linéaire donne de meilleurs résultats quand les données

sont également réparties sur la grille. Les levés topographiques à faible densité de points, donnent des

facettes triangulaires visibles sur la carte.

1-2. Calcul des volumes entre deux MNT

Afin effectuer ce calcul, il faut déterminer pour le logiciel la surface supérieure et celle

inférieure. La première correspond au MNT du dernier levé topographique, alors que la deuxième

correspond à celui du levé antérieur.

Par conséquent, deux types de volumes sont définis entre ces deux surfaces : volumes positifs

représentant des dépôts et ceux négatifs représentant des ablations (figure II-A, 1).

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Annexe (II-A)

154

A B

Volume positif (dépôts)

Volume négatif (érosion)

Surface supérieure correspond au levé au temps t Surface inférieure correspond au levé au temps t-1

Section masquée

Fig. II-A, 1. Représentation schématique (profil en travers), illustre le principe du calcul de

volumes dans Surfer 8 à partir de deux MNT issus de deux levés topographiques

La figure (II-A, 1) illustre une coupe transversale de l'espace inter-banquettes entre deux dates

distinctes, et montre deux variations du niveau de la surface entre deux dates.

Afin de calculer correctement les volumes correspondant à ces variations on doit tenir compte

des considérations suivantes :

1. Uniformiser les surfaces des MNT à comparer en sélectionnant les mêmes limites en

X et en Y pour la grille de calcul de MNT.

2. Minimiser la dimension de la maille élémentaire de cette grille.

3. Délimiter la zone concernée par le calcul. Cette procédure consiste à définir un

masque via un polygone tracé sur la grille. Ce masque doit être appliqué à tous les

MNT à comparer en utilisant l'item "Blank" du logiciel. Ceci permet d'avoir des

surfaces identiques superposables.

Mathématiquement, le volume sous une fonction f(X, Y) est défini par un intégral double :

∫ ∫=max

min

max

min

),(X

X

Y

Y

dXdYYXfVolume

Dans Surfer, ceci est calculé par une première intégration sur X (les colonnes) pour obtenir les

aires sous les lignes individuelles, et en intégrant ensuite sur Y (les lignes) pour obtenir le volume

final.

Le logiciel rapproche les intégrales unidimensionnelles nécessaires en utilisant trois

algorithmes numériques d'intégration : la loi trapézoïdale étendue, la loi de Simpson étendue et la loi

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155

de 3/8 de Simpson étendue. Ces trois algorithmes doivent donner des valeurs proches. Le volume net

peut être considéré comme la moyenne des valeurs issues des trois méthodes. Quand les unités de X,

de Y, et de Z sont identiques, les unités de volume sont les unités cubiques. Le logiciel donne un

rapport sur le calcul du volume selon l'exemple suivant :

2. Un exemple de fichier sortant

Grid Volume Computations

Upper Surface Grid File Name: D:\Traitement-nivell-04-5\parcelle_jacère\calcul_bilans0407\out_limit anal_jach0705.grd Grid Size: 158 rows x 111 columns X Minimum: 951.606 X Maximum: 1006.785 X Spacing: 0.5012 Y Minimum: 921.348 Y Maximum: 1000 Y Spacing: 0.50 Z Minimum: 5.115 Z Maximum: 5.786 Lower Surface Grid File Name: D:\Traitement-nivell-04-05\parcelle_jacère\calcul_bilans0407\out_limit canal_jach1204.grd Grid Size: 158 rows x 111 columns X Minimum: 951.606 X Maximum: 1006.785 X Spacing: 0.502 Y Minimum: 921.348 Y Maximum: 1000 Y Spacing: 0.50096 Z Minimum: 5.088 Z Maximum: 5.756 Volumes Total Volumes by: Trapezoidal Rule: 2.555 Simpson's Rule: 2.557 Simpson's 3/8 Rule: 2.560 Cut & Fill Volumes Positive Volume [Cut]: 2.777 Negative Volume [Fill]: 0.221 Net Volume [Cut-Fill]: 2.555 Areas Planar Areas Positive Planar Area [Cut]: 87.724 Negative Planar Area [Fill]: 12.543

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Annexe (II-A)

156

Blanked Planar Area: 4239.670 Total Planar Area: 4339.938 Surface Areas Positive Surface Area [Cut]: 87.852 Negative Surface Area [Fill]: 12.570 _____________________________________________________________

On peut distinguer trois types des résultats dans ce rapport :

(i) Des paramètres décrivant les grilles utilisées pour les surfaces supérieure et

inférieure (limites, cotes minimum et maximum, maille).

(ii) Les volumes calculés : le volume net qui est la somme du volume positif (dit "cut"

ou "déblai") et le volume négatif (dit "fill" ou "remblai"). La portion (déblai), est le

volume entre la surface supérieure et celle inférieure quand la surface supérieure

est au-dessus de la surface inférieure. La portion (remblai) est le volume entre les

surfaces supérieures et celle inférieure quand la surface supérieure est au-dessous

de la surface inférieure, figure (II-A, 1).

(iii) Les surfaces : les surfaces positives correspondent aux plages des volumes positifs

et les surfaces négatives aux plages des volumes négatifs. Deux types de surfaces

sont calculés, la surface projetée "planar area" et celle déployée "surface Areas".

Elles comprennent aussi les surfaces planes et celles projetées qui sont obtenues

respectivement par projection des plages (négatives et positives) sur un plan et par

calcul des surfaces projetées.

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Annexe (II-B)

Annexe II-B. données sur la pluie dans le milieu de l'étude

Tableau II-b, 1. Statistique des pluies journalières à Ousselatia*

Station Ousseltia 2 ans 5 ans 10 ans 20 ans 50 ans 100 ans Mode de

Calcul Période

Fréquence 0.5 0.2 0.1 0.05 0.02 0.01

Pluie (mm) 58.1 78.0 93.6 109.6 131.3 148.0 Pearson III 1967-94

*: cf. annuaire hydrologique des lacs collinaires de Tunisie 1997-98 (mars 1999).

Cette statistique de la pluviométrie journalière est donnée avec l’origine du calcul (station de

mesure) et la période d’observation utilisée pour réaliser ce calcul. La station pluviométrique Ousseltia

est la plus proche du site pour laquelle on possède une série de mesures suffisante

La loi de PEARSON III tronquée utilisée pour le calcul, est appliquée à tous les jours où il a

plu sur la période observée et ramène la statistique au nombre d’années observées.

Tableau II-b, 2. Les valeurs annuelles et mensuelles de la pluviométrie observée au cours des

deux années hydrologiques de l'observation.

Année hydrologique Sept. Oct. Nov. Déc. Janv. Févr. Mars Avr. Mai Juin Juil. Août année

2004-2005 9 17 92.5 40.5 35.5 144.5 13 22.5 2.5 38 0.5 73 488.5

2005-2006 3.5 65.5 44.4 27.6 178.5 28 6.5 9.5 76.5 8.5 14 19.5 482

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Annexe (III-A)

Annexe III-A. Les caractéristiques de mise en place des tensiomètres et

des tubes d'accès de sonde à neutrons installés dans la placette de mesure

d'infiltration et le principe de mesure.

1. Tensiomètrie

Les tensiomètres installés sont à manomètre à mercure (de type SDEC 2150) reliés à des

réglettes 5 voies STM 2150 qui permettent la mesure des tensions de l’eau du sol.

Six batteries de cinq tensiomètres chacune sont implantées dans le canal, suivant deux transects

de trois batteries. Deux autres batteries permettent le contrôle de l'infiltration de l'eau sur le flanc aval

de la banquette. Leur profondeur d’implantation, tenant compte de la topographie du terrain, permet

d’avoir des cotes absolues identiques pour plusieurs tensiomètres. Les caractéristiques de mise en

place sont résumées dans le tableau III-A, 1. La batterie B0 regroupe des tensiomètres

complémentaires implantés aux faibles profondeurs.

Tableau III-A, 1. Les caractéristiques de mise en place des tensiomètres

Batterie B1 B2 B3

Tensiométre B11 B12 B13 B14 B15 B21 B22 B23 B24 B25 B31 B32 B33 B34 B35

z, (cote mesure [cm]) 20 40 60 80 100 20 40 60 80 100 20 40 60 80 100

Profondeur bougie/sol 20 40 60 80 100 28 48 68 88 108 50 70 90 110 130

Batterie B4 B5 B6

Tensiométre B41 B42 B43 B44 B45 B51 B52 B53 B54 B55 B61 B62 B63 B64 B65

z, (cote mesure [cm]) 40 60 80 100 120 80 100 120 140 160 20 40 60 80 100

Profondeur bougie/sol 40 60 80 100 120 24 44 64 84 104 31 51 71 91 111

Batterie B7 B8 B0

Tensiométre B71 B72 B73 B74 B75 B81 B82 B83 B84 B85 B10 B200 B600 B20 B60

z, (cote mesure [cm]) 20 40 60 80 100 20 40 60 80 100 10 2 -1 10 10

Profondeur bougie/sol 50 70 90 110 130 64 84 104 124 144 10 10 10 18 21

1.1. Mesure de la charge de pression

Les mesures tensiométriques permettent de mesurer la pression de l’eau du sol par rapport à la

pression atmosphérique prise comme origine des pressions. Elles consistent en la mesure d’une

dépression créée dans un système étanche à l’air où le fluide transmetteur est l’eau désaérée. Un bout

du système est introduit dans le sol. Le contact entre ce système et le sol se fait par une céramique

poreuse (bougie) qui permet la mise à l’équilibre du système avec le sol et le transfert de la tension

par l’eau. L’autre extrémité est reliée à un manomètre, ici un système à mercure.

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Annexe (III-A)

159

Les lectures tensiométriques doivent tenir compte des éventuelles corrections dues aux dénivelés

entre la surface du mercure et l'origine de l'échelle de lecture par rapport à la surface du sol prise

comme origine des cotes. Les cotes sont mesurées positivement vers le bas, ce qui signifie que toutes

les cotes au dessus de la surface du sol sont négatives. Dans notre expérimentation c’est la cote de la

batterie B1 qui détermine le plan de référence z = 0.

Le schéma de la figure (III-A, 1) illustre le principe de cette mesure.

O : Zéro de l’échelle de lecture, sa cote est Z0

Hg : Surface du mercure dans le réservoir

A : Sommet de la colonne de mercure dans le capillaire

B : Point sur la même horizontale que A

M : Milieu de la bougie

ρw : Masse volumique de l’eau [1 g/cm3]

ρHg : Masse volumique du mercure [13.6 g/cm3]

hM : Pression au point M

HM : Charge hydraulique au point M,

définie par HM = hM - ZM

Fig. III-A, 1. Schéma de principe de l’installation

des tensiomètres

Toutes les cotes sont prises avec leur signe dans la Figure (III-A, 1) seule Zm > 0, les autres cotes sont

< 0).

A et B étant sur la même horizontale alors BA hh =

La surface du mercure dans le réservoir est à la pression atmosphérique, alors hHg = 0

On a:

)( wZhhh BMBM ρ−+=

Ou )( AMAM ZZhh −+=

Donc MMMAA HZhZh =−=− .........................(1)

0)( =−+= HgZZhh AHgAHg ρ

ZHg

Zs

Plan de référence

ZM M

B A

0 Z0

Z = 0

Z

Support S

Surface du sol

R

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Annexe (III-A)

160

6,13)( HgAA ZZh −=..................................................................(2)

Reporté dans (1), on obtient

6,13)( MHZZZ AHgA =−− ......................................................(3)

On ajoute et on soustrait Z0 à ZA dans (3):

6,12)(6,12)(

6,13)()(6,13)(

6,13)(

M00

M0000

M0000

HZZZZZ

HZZZZZZZ

HZZZZZZZ

HgHgA

HgAA

AHgA

=−−+−

=−−+−−−

=−+−−+−

L’échelle de lecture étant graduée en 12.6 cm (1 cm sur la réglette correspond à 12.6 cm de pression)

et en valeur absolue,

Il vient, )(z 6,12 0 HgHgM zzlectureH −−+−=......................(4)

Si on règle le niveau du mercure de telle façon que Z0 – ZHg = ZHg / 12.6, on obtient alors la

lecture directe de la charge hydraulique sur la réglette. Le tableau suivant (III-A, 2) rapporter les

paramètres du calcul de cette charge pour les neuf batteries.

Tableau III-A, 2. Caractéristiques des batteries et paramètres du calcul de la charge hydraulique

Cotes (cm) B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7 B8 B0

Cote batterie/B1 0 -8 -30 0 56 -11 -30 -44 *

Cote support/B1 -38 -38 -39 27 28 -48 -46 -45 -38

Cote zéro éch/sol -29.2 -28.6 -27.2 -27.3 -26.2 -28.2 -27 -26 -27

Cote Hg/sol -28.5 -26.5 -26.5 -25.7 -24.7 -26.5 -25.5 -25 -26

z_0 (cm) -67.2 -66.6 -66.2 -0.3 1.8 -76.2 -73 -71 -65

z_Hg (cm) -66.5 -64.5 -65.5 1.3 3.3 -74.5 -71.5 -70 -64

z_0 - z_Hg (cm) -0.7 -2.1 -0.7 -1.6 -1.5 -1.7 -1.5 -1 -1

* : Les 5 tensiomètres de la batterie B0 sont répartis comme suit : 1 tensiomètre avec la batterie B1, 2

avec B2 et 2 avec B6.

2. Sonde à neutrons

La sonde à neutron sert à mesurer l'humidité volumique du sol. Cette méthode présente de

nombreux avantages comme la rapidité de manipulation in situ. Elle est aussi répétitive aux mêmes

endroits et non destructive du milieu.

L'utilisation de cette méthode nécessite la pose de tubes en aluminium. Le tableau

(III-A, 2) récapitule les caractéristiques des tubes d’accès de sonde à neutrons installées. Ces tubes

sont numérotés: S1, S2, S3, S4.

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Annexe (III-A)

161

Le profil de S2 est caractérisé par une forte présence de graviers de 55 à 100 cm de profondeur.

Il y a également quelques graviers dans le profil de S3 à 60 cm. Par contre pas de graviers dans le

profil de S1.

Tableau III-A, 2. Caractéristiques des tubes d’accès de sonde à neutrons installés

N° Sonde Localisation par

rapport à la banquette

Longueur totale (m)

Hauteur aérienne (m)

Profondeur maxi (m)

S1 En amont 1.54 0.52 1.02

S2 En amont 1.57 0.52 1.05

S3 En aval 1.57 0.32 1.25

S4 En amont 1.56 0.49 1.07

2.1. Mesures de l'humidité du sol

Les mesures neutroniques de la teneur en eau (θ ) du sol consistent à utiliser la propriété des

neutrons et leur aptitude à être ralentis préférentiellement par les atomes d'hydrogène, dont la présence

dans le sol est liée principalement à celle de l'eau. Le nombre de neutrons rapides ralentis pour un sol

donné varie avec sa teneur en eau.

L'accès de la source radioactive émettrice de neutron aux différents horizons du sol se fait au

moyen d'un tube d'aluminium enfoncé verticalement dans le sol et laissé en permanence durant toute

l'expérimentation. La source de neutrons rapides, accompagnée du détecteur de neutrons lents, est

amenée à la profondeur désirée à l’intérieur de ce tube. La précision de la mesure nécessite un bon

contact entre la terre et le tube. Le volume de sol exploré par l'humidimètre neutronique utilisé est une

sphère qui varie de 15 à 20 cm de diamètre en sol humide mais qui peut atteindre 50 cm en sol sec.

La sonde à neutrons donne un comptage qui traduit l’humidité d’un volume de sol incluant la

matrice sol et l’eau qu’elle contient. Pour se prévenir d'une dérive dans ce comptage, on effectue avant

toutes les mesures un comptage de référence dans de l'eau pure. La sonde à neutrons utilisée est

calibrée pour donner un comptage de 1000 dans l’eau pure (Ne). Il est donc nécessaire de vérifier cette

calibration avant chaque campagne de mesure et de corriger les comptages Ns pour les ramener à la

valeur standard de 1000 dans l’eau pour obtenir les comptages normés : N= 1000*Ns/Ne.

2.2. Etalonnage

Il est nécessaire d’effectuer un étalonnage pour prendre en compte l’effet de la matrice et sa

variation éventuelle selon la profondeur et/ou selon les lieux d’implantation des tubes. Cet étalonnage

consiste à trouver la relation de proportionnalité entre le flux de neutrons ralentis N (impulsions par

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Annexe (III-A)

162

unité de temps) et Hv (humidité volumique du sol) : N= aHv +b; a et b sont des coefficients dépendant

de la nature du sol.

La méthode utilisée consiste à établir les relations entre les comptages neutroniques et

l’humidité du sol mesurée par la méthode pondérale. La sonde à neutrons mesurant l’humidité d’un

volume de sol, la connaissance de la densité apparente est nécessaire pour convertir les humidités

pondérales en humidité volumique. Ces densités apparentes ont été mesurées au cylindre de 100 cm3

en fonction des discontinuités observées, à raison de trois répétitions par mesure. Elles s’expriment

par : Da = Ms/100; Où Ms est la masse sèche,

Un étalonnage commun est établi pour les tubes S1 et S4 en raison de leur proximité.

Tableau III-A, 3. Densités apparentes

Profondeur (cm) S1-S4 S2 S3

0-10 1,54 1,45 1,45

10-20 1,44 1,45 1,59

20-30 1,78 1,4 1,54

30-40 1,82 1,43 1,54

40-50 1,83 1,43 1,62

50-60 1,83 1,47 1,62

60-70 1,81 1,55 1,75

70-80 1,81 1,55 1,75

80-90 1,8 - 1,68

90-100 1,8 - 1,68

Des prélèvements d’échantillons du sol aux profondeurs de mesures permettent de mesurer

l'humidité par la méthode pondérale à 105°C. Ces prélèvements ont été effectués à la mise en place

des tubes puis au cours du ressuyage pour couvrir la gamme d’humidité la plus large possible. Ils sont

effectués à la tarière, tous les 10 cm de profondeur, à environs 50 cm des tubes d’accès.

Les humidités volumiques sont calculées par : Hv = Hp*Da Avec Hp humidité pondérale, Da

densité apparente

Les relations Hv = f (N) sont établies pour chaque profondeur puis regroupées selon la pente et

l’ordonnée à l’origine. Les résultats sont illustrés par les figures (III-A, 2: a, b, c) et les relations sont

données dans le tableau (III-A, 4).

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Annexe (III-A)

163

ETALONNAGE DES TUBES S1 ET S4

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0 100 200 300 400 500 600

Comptage normé N

Hv

cm3 /

cm3

10

20-50

60-90

ETALONNAGE DU TUBE S2

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0 100 200 300 400 500 600

Comptage normé N

Hv

cm3 /

cm3

10

20-90

ETALONNAGE TUBE S3

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0 100 200 300 400 500

Comptage normé N

HV

cm

3 /cm

3

10

20

30-110

Figures III-A, 2, a, b, c. montrent les relations Hv = f (N) pour différentes profondeurs

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Annexe (III-A)

164

Tableau III-A, 4. Les équations d'étalonnage obtenues

Tube Profondeur cm Equation d’étalonnage R2

10 Y=1,1266E-03X – 4,8867E-03 0,81

20 à 50 Y=8,8293E-04X – 2,3918E-02 0,71 S1-S4

60 à 90 Y=7,3002E-04X – 3,1818E-02 0,49

10 y = 8.9306E-04X + 5.6418E-02 0,84 S2

20 à 90 y = 6,3026E-04X - 9,1470E-03 0,78

10 y = 5,2323E-04X + 9,2447E-02 0,78

20 y = 4,8547E-04X + 5,0505E-02 0,99 S3

30 à110 y = 8,3981E-04X - 9,1688E-02 0,88

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165

ANNEXE (III-B)

Annexe III-B. Les paramètres d'entrée utilisés pour alimenter MYDAS-

UH

1. Paramètres d'entrée de MHYDAS-UH-HYDROLOGIQUE

1.1. Modèle type de fiche des données d'entrée du module "MHYDAS-UH-

HYDROLOGIQUE" :

% Code = valeur; % commentaires *************************************************** *********************** Aire = 2840 % Surface en m2 dt = 30 % Pas de temps en secondes *************************************************** ***********************

Paramètres de la fonction de production *************************************************** *********************** code_Production = 1 % Code_Production = 1 Morel_Seytoux; = 2 Modèle de Philip; Ks = 0.0000013 % Conductivité Hydraulique à saturation en [m/s] Hc = 0.1 % Potentiel d'entrée d'air en [m] tetas = 0.32 % Teneur en eau à saturation en [m3/m3] tetar = 0.04 % Teneur en eau résiduelle en [m3/m3] tetai = 0.16 % Teneur en eau initiale en [m3/m3] (Varie selon l'événement) beta = 1.3 % Facteur de correction dans le modèle de Morel-Seytoux, constante entre 1 et 1.7 selon Morel-Seytoux et Khanji (1974) (recommandé par Morel-Seytoux égal à 1.3). lambda_sol_VG = 0.4 % Paramètres a, b, c, d et lambda de l'équation de Van Genuchten des propriétés du sol; delta_teta : paramètre utilisé dans la résolution numérique de l'équation de Philip a_sol_VG = 2 % b_sol_VG = 3 % c_sol_VG = 5 % d_sol_VG = 0 % delta_teta = 0.00001 % *************************************************** ***********************

Paramètres de la fonction de transfert *************************************************** *********************** code_Transfert = 1 % Code de la méthode de résolution de l'Onde diffusante = 1 pour le modèle d'Hayami et 2 pour résolution par le schéma aux différences finies de Crank-Nicholson celerite = 0.1 % Célérité de l'onde en [m/s] sigma = 1 % Diffusivité en [m2/s] longueur = 40 % Distance sur laquelle on effectue la propagation en [m] *************************************************** *********************** duree_max_noyau = 300 % Durée maximale du noyau en nombre de pas de temps, plus cette valeur est grands, plus le calcul est précis, mais le temps de calcul augmente. *************************************************** *********************** % 2. Pour les besoins du schéma numérique aux différences finies % Un optimum existe entre dx=longueur/nb_dx et dt_calul = dt/nb_dt *************************************************** *********************** nb_dx = 12 % Nombre de pas de subdivision de la longueur du tronçon nb_dt = 6 % Nombre de pas de subdivision du pas de temps élémentaire dt

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Annexe (III-B)

166

nb_pas_fictifs = 20 % Nombre de pas fictifs de prolongation du tronçon pour éviter l'influence de la condition aval. Il est recommandé de le mettre égal ou supérieur à nb_dx. Plus c'est grand, plus c'est précis, mais le temps de calcul augmente. *************************************************** ************************ *************************************************** ************************

1.1. Humidité initiale du sol

Afin de déterminer l'humidité initiale du sol dans l'inter-banquettes, nous avons consulté une série

de mesures, mise en relation avec la pluie, effectuées par TDR entre mars 1998 et décembre 2000 (Fig.

III-B, 1).

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

01/0

1/98

14/0

2/98

30/0

3/98

13/0

5/98

26/0

6/98

09/0

8/98

22/0

9/98

05/1

1/98

19/1

2/98

01/0

2/99

17/0

3/99

30/0

4/99

13/0

6/99

27/0

7/99

09/0

9/99

23/1

0/99

06/1

2/99

19/0

1/00

03/0

3/00

16/0

4/00

30/0

5/00

13/0

7/00

26/0

8/00

09/1

0/00

22/1

1/00

Plu

ie m

m

0

5

10

15

20

25

30

Hum

idité

%

PluieAmontAval 1Aval 2

Fig. III-B, 1 : Variations d'humidité en surface de l'inter-banquettes

(Collinet et Zante, in HYDROMED 2001)

Cette série de mesures permet aussi de prendre en compte les événements pluvieux antérieurs

à l'événement simulé (date, lame d'eau précipitée) pour déterminer l'ordre de grandeur de la teneur en

eau initiale. On remarque dans cette figure que les valeurs d’humidité décroissent rapidement après les

pluies et se stabilisent en période pluvieuse autour de 25% et en été entre 10 à 15%.

Quant à l'humidité saturée, elle a été approchée à partir des mesures effectuées sur l'impluvium

inter-banquettes soit lors de la simulation de pluie soit lors des mesures de l'infiltrabilité (présentées

dans le chapitre 9). Parmi les autres paramètres de la fonction de production présentés dans le fiche ci-

dessus, nous avons utilisé ceux du modèle de Morel-Seytoux.

En ce qui concerne les paramètres de la fonction de transfert, nous avons utilisé ceux du

modèle d'Hayami; la célérité dépend notamment de la pente et de la rugosité. Ce paramètre a été

approché via le rapport entre la distance de la propagation et le temps de réponse de la crue. Elle varie

entre 0,05 et 0,2 m/s. La diffusivité, déterminée par calage a été fixée à 1 m2/s.

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167

2. Paramètres d'entrée utilisés pour alimenter MHYDAS-UH-EROSION

2.2. Fiche des données d'entrée du module "MHYDAS-UH-EROSION":

% Code = valeur % commentaires % separateur = *************************************************** ***** Long_UH = 71 % longueur suivant la pente de la parcelle (m) Larg_UH = 40 % largeur de la parcelle (m) Nb_motifs = 20 % nombre de rigoles ou de motifs identiques sur la largeur Nb_unit = 7 % nombre d'unités élémentaires (par motif) issues du découpage des rigoles amont-aval (selon la pente) Larg_rill = 1 % largeur de la rigole supposée rectangulaire [m] Seuil_Min = 0.001 % seuil minimal de la pente [m/m] Seuil_Conv = 0.000001 % seuil de convergence [en m] pour le calcul de la hauteur d'eau dans les rigoles (méthode de Newton) Rugo_Strickler = 15 % Rugosité Strickler des rigoles % DETACHEMENT PAR SPLASH ******************************* SDR_max = 0.25 % Valeur maximale du SDR (seuil) Ruissel_max = 40 % Valeur du ruissellement en [mm/h] nécessaire pour atteindre 91% du SDR_max Kd_EROD = 2 % L'indice de la détachabilité des particules du sol [g/J] % COUVERT VEGETAL *********************** Surf_couvert = 0.01 % Surface du motif sous couvert végétal (% de la surface totale du motif) Haut_canopee = 0.5 % Hauteur du couvert végétal occupant un motif (m) % DETACHEMENT PAR LE RUISSELLEMENT ********************************************* COH = 8 % Paramètre d'érodibilité [kPa] D50_Sed = 0.0001 % Diamètre médian des particules [m] Dens_Sed = 2.65 % Densité des sédiments % DEPOT ************* Visc_fluide = 0.000001 %Viscosité moléculaire cinématique de l'eau [m²/s] Dens_fluide = 1 % Densité de l'eau Coeff_Phi = 0.2 % Degré d'homogénéité du profil vertical de concentration dans la lame d'eau [0-1] % PENTE ************* % longueur pente % pourcent [m/m] 0.143 0.08 0.286 0.08 0.429 0.08 0.572 0.08 0.715 0.08 0.858 0.08 1 0.05 *************************************************** ********************************************************************************** *****************

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Annexe (III-B)

168

2.2. Rugosité de Strickler

Ce paramètre, dont le modèle est très sensible, est égal à l'inverse de coefficient de Manning.

Nous rapportons dans les tableaux (III-B, 1 et 2) des ordres de grandeurs, trouvés dans la littérature, de

ce coefficient.

Tableau III-B, 1. Ordres de grandeur du coefficient de Manning in (Hessel, 2002).

Tableau III-B, 2. Ordres de grandeurs du coefficient de Manning in (Chow, 1959).

Type de sol Coefficient de Manning

Sol recouvert de graviers et bords en durs 0,020-0,033

Prairie 0,035

Champ cultivé 0,04

Broussailles clairsemées 0,05

Broussailles denses 0,07

Bois dense 0,1

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Tableau III-B, 3. Ordres de grandeur du coefficient de Manning (différentes sources cité dans (ASCE, 1996)).

Type de sol Coefficient de Manning

Sol en jachère 0,05

Végétation épars 0,05-0,13

Sol cultivé (< 20%) 0,06

Sol cultivé (> 20%) 0,17

Prairie 0,10-0,20

Gazon clairsemé 0,2

Mottes d’herbe 0,20-0,50

Gazon dense 0,24-0,35

Pâturage 0,30-0,40

Herbe « Bermuda » 0,43

On remarque que les valeurs du coefficient de Manning et par conséquent celles de Strickler

varient de manière considérable dans la littérature selon la source. Il devrait donc être déterminé à

partir des mesures expérimentales.

Les valeurs des SDRmax et Ruisselmax présentées ci-dessus ont été déterminées dans un premier

temps via une analyse de données trouvées dans la littérature (Leguédois, 2003; Nord, 2006). Elles

pourraient être déterminées à partir des expérimentations de simulation de pluie menées.

Les paramètres de la détachabilité (K_EROD) et de la cohésion du sol (COH) ont été

déterminés à partir des tableaux fournis dans le manuel d’EUROSEM pour différents types de sols

(Morgan et al., 1998).

Le diamètre médian des particules (D50_Sed) a été déterminé à partir d'une analyse

granulométrique des échantillons du sol pris en surface et répartis sur toute la parcelle.

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RESUME

Les banquettes anti-érosives sont des levées de terre construites à partir des matériaux pris dans un canal creusé suivant les courbes de niveau. Elles captent le ruissellement et en restreignent le pouvoir érosif. Cet aménagement est très répandu dans la zone méditerranéenne semi-aride et surtout en Tunisie où plus d’un million d’hectares ont été traités. Très peu de travaux sont disponibles sur les fonctionnements hydro-sédimentaires des espaces cultivés ainsi aménagés.

Ce travail a pour objectifs (1) la description des aménagements en banquettes couramment utilisés dans le bassin méditerranéen, (2) l’analyse du fonctionnement hydrologique d’un type particulier de banquette, les banquettes à rétention totale, (3) proposer des éléments de modélisation. La démarche adoptée suit deux approches expérimentale et numérique; la première consiste à caractériser le ruissellement, l’érosion et l'infiltration de l'eau retenue à l’échelle d’un espace inter-banquettes. La deuxième vise à modéliser ces différents phénomènes. A cette fin, deux parcelles d'environ 3000 m² chacune ont été délimitées et instrumentées sur un espace inter-banquettes du bassin versant d’El-Gouazine (Tunisie Centrale). La première parcelle est en jachère de parcours, alors que la deuxième est labourée.

L'étude expérimentale a permis de quantifier des bilans hydrologiques et sédimentaires de l’aménagement au cours de deux années hydrologiques. Elle a mis en évidence l'effet du travail du sol sur la réduction du ruissellement et de l'érosion. Des expérimentations complémentaires à l'échelle locale ont montré l'effet de la banquette sur l'augmentation de la réserve hydrique du sol en son amont. L'ensemble des expérimentations effectuées a fourni des données et des paramètres nécessaires pour la modélisation. Un modèle de ruissellement (MHYDAS-UH) sur l’espace inter-banquettes, et un modèle d’infiltration (HYDRUS 2D) dans le canal et la banquette ont été mis en œuvre. Ils ont permis de préciser le fonctionnement de l'aménagement et de tester des scénarios pour évaluer son comportement en conditions exceptionnelles.

Mots clés : Banquettes anti-érosives, fonctionnement hydrologique, érosion, ruissellement, modélisation, occupation du sol, région semi-aride, Tunisie Centrale.

Conservation of soil and water by contour banks management Analysis, functioning and modeling in Mediterranean area (Central Tunisia)

ABSTRACT Contour banks are earthen embankments constructed from material excavated by digging a

channel along contour lines. They intercept runoff before it concentrates into an erosive force. They are widely used in the semiarid Mediterranean zones of North Africa and especially in Tunisia where more than one million hectares are treated. However, little research has been performed on their hydrological functioning.

This research aims (1) to describe contour banks used in the Mediterranean area, (2) to analyze the hydrological functioning of a particular bank type: the total retention banks (3) to propose elements for a hydrological modeling able to compute water and sediment balances. Two approaches are adopted; experimental and numerical approaches. The first one consists in characterizing runoff, erosion and infiltration of water collected from the inter-bank. The second aims at modeling these phenomena. To this end, two plots of about 3000 m² each were delimited and instrumented on an inter-bank space of the El-Gouazine catchment (Central Tunisia). The first plot was fallow pasture while the second was tilled.

The experimental study allowed establishing sediment and water balances of the bank management during two hydrological years and characterizing the global functioning for both studied modalities. It shows the effect of tillage on reducing runoff and erosion. Complementary experiments performed on local scale showed the effect of the bank on increasing soil water reserves upstream of the bank. The performed experiments supplied data and necessary parameters for the modelling. A runoff model (MHYDAS-UH) in inter-bank space, and an infiltration model (HYDRUS 2D) in the bank channel are implemented. Both models have helped to specify the functioning of this management and to test scenarios for exceptional conditions.

Key words: Contour banks, hydrological functioning, erosion, runoff, land use, modeling, semi-arid region, Central Tunisia.