Stage d’été au Burkina Faso - cooperation.epfl.ch · l’orientation initiale de mon stage. ... thème principal de ce rapport. 2. Buts du stage Compréhension du Bassin versant

Stage d’été au Burkina Faso

Etude des températures d’un cours d’eau à l’aide d’une fibre

optique

Etudiant Master 3

Malik Matthey

[email protected]

Stage au Burkina Faso au sein du projet Info4Dourou Eté 2009

Traitement des données de température d’un cours d’eau Malik Matthey

2

Remerciements

� A la coopération de l’EPFL via Mr A. Repetti pour avoir proposé ce stage.

� Au laboratoire EFLUM de Mr. M. Parlange pour m’avoir confié tout le matériel nécessaire à

cette étude.

� A IdM pour l’allocation de la bourse nécessaire au voyage aller-retour au Burkina.

� A Nathalie Ceperley pour l’introduction à la vie locale et pour avoir activement travaillé à

l’orientation initiale de mon stage.

Table des matières

1. Présentation de la zone d’étude ......................................................................................................... 3

2. Buts du stage ....................................................................................................................................... 4

3. Résumé des résultats DTS ................................................................................................................... 5

4. Présentation de la fibre ....................................................................................................................... 6

5. La fibre optique dans son contexte..................................................................................................... 7

6. Approche journalière .......................................................................................................................... 9

7. Données DTS brutes .......................................................................................................................... 10

8. Analyse mensuelle............................................................................................................................. 12

9. Discussion des hypothèses de départ ............................................................................................... 13

10. Conclusion ....................................................................................................................................... 14

11. Annexe............................................................................................................................................. 15



3

1. Présentation de la zone d’étude

En plein centre de l’Afrique de l’Ouest, Le

Burkina Faso est à l’intersection des zones

sub-sahariennes au nord et tropicales plus au

Sud. Le Sud-est du pays, région où l’étude se

déroule possède une saison sèche pendant

laquelle rien n’est cultivé, et une saison des

pluies, pendant laquelle l’essentiel des

denrées alimentaires est produit.

La zone d’étude se trouve sur un vaste plateau

bordé au Sud par une chaîne de colline. Le

village de Madjoari est comme une oasis de

vie au milieu de la savane arbustive. Les

confrontations avec la faune (éléphants

notamment) est d’ailleurs assez fréquente.

Le bassin versant est composé d’une zone amont en terrain accidenté et d’une zone aval sur laquelle

les habitants de Tambarga cultivent essentiellement riz, mil, petit-mil et sorgho.



4

Inventaire du matériel mis en place

Plusieurs instruments de mesure ont été installés en marge et à l’intérieur du bassin versant (B.V.). Il

s’agit notamment d’un réseau de stations météorologiques. Plusieurs pluviomètres ont été implantés

dans le B.V. de même qu’une fibre optique dans le lit du cours d’eau, thème principal de ce rapport.

2. Buts du stage Compréhension du Bassin versant (B.V.)

Comme stagiaire du laboratoire EFLUM de Mr M. Parlange, il m’a été confié deux tâches spécifiques

une fois arrivé à Madjoari.

1) Traité les données issues de la fibre optique qui a été installée dans le lit de la rivière de

Tambarga (Commune de Madjoari).

a. Essayer d’illustrer les circuits hydriques du petit bassin versant à l’aide de

graphes obtenus avec le Matlab (logiciel de calcul et de traitement de donnés)

b. Identifier les zones de sources ou de résurgences de la nappe phréatique

c. Expliquer les phénomènes hydriques du sous-sol durant la saison des pluies (Mai

à Septembre)

2) Faire une étude sociale autour des techniques et habitudes agraires des paysans locaux.



5

Ce présent dossier traite, néanmoins, plus de la partie scientifique que de la partie sociale.

3. Résumé des résultats DTS

Du fait de l’érosion et des nouveaux méandres qui se forment, la fibre n’est pas toujours immergée.

Pour s’en rendre compte, il suffit d’observer les fortes variations de la température dans le temps

des premiers graphes DTS (cf. §7). En prenant, par exemple, les températures à 6h, 12h, 18h et 24h,

si la fibre n’est pas immergée, les températures seront fortement différentes. A l’inverse, dans le cas

où les températures ne varient pas dans le temps, on peut supposer qu’il y a un apport d’eau à

température constante, nommé source dans ce rapport.

Ensuite, le long de la fibre (sur une distance de 1'500 [m]), sur les points où on suppose qu’il y a une

source d’eau à température constante, ce rapport présente les minima et les maxima journalier de la

température de ces sources pour les mois de Juin et Juillet. Si les données météorologiques sont

disponibles on pourra comparer cette évolution des températures avec les évènements de pluies.

Là où on peut supposer une résurgence et aux endroits de confluence, le traitement de données va

nous indiquer l’évolution de la température dans le temps après un épisode pluvieux (cf. Annexes).

L’interprétation des variations spatiales de la température pourra indiquer un mélange entre deux

cours d’eau ou l’exposition aux rayonnements solaires, alors que l’évolution temporelle de la

température donne des informations sur le bassin versant et l’exposition aux rayonnements.



6

4. Présentation de la fibre

http://wolfweb.unr.edu/homepage/tylers/index.html/

� Mesure la température extérieure en utilisant les propriétés de la fibre optique uniquement.

� La fibre optique sert de thermomètre avec un laser comme source d’illumination. � La température est mesurée tous les 2 mètres environ sur une distance pouvant aller

jusqu’à 30 km. Dans notre cas, la fibre a été installée sur une distance (simple) de 1'500 m environ. La précision de la mesure est comprise entre 0.01 et 0.5 °C.

� La dispersion Rayleigh, Raman et Brillouin se produisent toute durant le trajet du rayon lumineux à l’intérieur de la fibre optique.

� La diffusion Raman est produite par les collisions inélastiques des photons avec des atomes ou des molécules dans la fibre optique. Si un photon « donne » de l'énergie à la fibre, la longueur d'onde est plus dispersée (Stokes Signal). Si un photon « gagne » de l’énergie, son énergie est plus grande qu’auparavant et donc sa longueur d'onde est plus courte (anti-Stokes Signal).

� Les longueurs d’onde Raman son prévisibles et symétriques. � The anti-Stokes (energy gaining) is strongly temperature dependant, but the Stokes is

relatively independent of the temperature of the colliding molecule. � Les anti-Stokes (énergie gagnée) sont fortement dépendants de température, mais

les Stokes sont relativement indépendants de la température des molécules de collision.

� La température du rayon émis lors de la collision est estimée d’après le coefficient d’intensité anti-Stokes/Stokes



7

5. La fibre optique dans son contexte Départ 0 [m]

Rouleau 19 [m]

Up to water 36 [m]

arbre 212 [m]

Sortie 385 [m]

Entrée 395 [m]

Chute 423 [m]

Flaque 500 [m]

Croisement 554 [m]

Fin zone cultivée 870 [m]

Fin zone g. vitesse 1030 [m]

Source (droite) 1088 [m]

Source+pt. Aval marais 1104 [m]

G. flaque aval 1113 [m]

G. flaque amont 1133 [m]

Amont marais 1298 [m]

Arbre coucher 1386 [m]

Source (gauche) 1416 [m]

Confluence (source 2) 1438 [m]

fort courant 1496 [m]

Sortie 1498 [m]

Fin 1508 [m]

La fibre parcourt un bassin qu’on peut diviser en deux zones :

� Le canyon : Alternance de roche et de sable avec des zones ombragées. On y observe des

fortes variations spatiales de la température.

� La plaine : Occupée par des champs. On y observe de fortes variations temporelles de la

température.

Sur le cours d’eau, après un épisode de pluie, la fibre optique permet d’identifier l’évolution de la

température de l’eau. En supposant que l’eau de la rivière possède la température de l’eau de pluie,

une variation locale de la température pourrait signifier une confluence avec un sous-B.V. ou une

résurgence des eaux souterraines.

Remarques :

Le long de la fibre optique, des cailloux ont parfois été utilisé pour stabiliser le fil dans le cours d’eau.

Ceci crée localement une augmentation de la température assez importante.

Le sol contient une importante portion de sable. Ce sable rend le sol très friable et très érodible. La

présence de ce sable est surprenante car le processus d’érosion depuis la montagne n’a pas vraiment

le temps de s’effectuer sur une si courte distance… Je suppose donc que la provenance de ce sable

est éolienne. Il faudrait voir la « Rose des vents » pour s’en rendre compte.



8

Hypothèses préalables sur les variations de température

a. L’eau de la nappe est plus froide que l’eau de surface

b. Une pluie diminue la température de l’air et de l’eau de surface

Topographie :

c. L’orientation du canyon (Nord-est�Sud-ouest) crée de fortes variations temporelles

d. La configuration (vallée) fait que l’air est plus frais au fond de la vallée (position 0 à 900[m])

qu’en amont (900 à 1500[m])

Type d’écoulement :

e. Les zones pentues du lit de la rivière sont plus fraîches que les zones plates. L’ensablement,

dû au ralentissement de l’écoulement augmente localement la température.

f. Les cultures fluviales très proches du cours d’eau ralentissent l’écoulement. Toutefois la

forte évapotranspiration peut diminuer la température de l’eau.



9

6. Approche journalière (Mai, Juin et Juillet)

Pluies et moyennes journalières de la température

Au niveau du canyon Au niveau de la plaine

5 10 15 20 25 3025

30

35

40

Jours

Tem

péra

ture

moy

enne

[°C

]

5 10 15 20 25 300

50

Pré

cipi

tatio

n [m

m] Canyon en May

5 10 15 20 25 3025

30

35

40

Jours

Tem

péra

ture

moy

enne

[°C

]

5 10 15 20 25 300

50

100

Pré

cipi

tatio

n [m

m] Canyon en Jun

5 10 15 20 25 3025

30

35

40

Jours

Tem

péra

ture

moy

enne

[°C

]

5 10 15 20 25 300

50

Pré

cipi

tatio

n [m

m] Canyon en Jul

5 10 15 20 25 3025

30

35

40

Jours

Tem

péra

ture

moy

enne

[°C

]

5 10 15 20 25 300

50

Pré

cipi

tatio

n [m

m] Zone agricole en May

5 10 15 20 25 3025

30

35

40

Jours

Tem

péra

ture

moy

enne

[°C

]

5 10 15 20 25 300

50

100

Pré

cipi

tatio

n [m

m] Zone agricole en Jun

5 10 15 20 25 3025

30

35

40

Jours

Tem

péra

ture

moy

enne

[°C

]

5 10 15 20 25 300

50

Pré

cipi

tatio

n [m

m] Zone agricole en Jul

On observe des températures journalières moyennes plus élevées dans le canyon que dans la zone

agricole en contrebas. L’évolution de la température dans le temps est tout à fait en corrélation avec

les évènements pluvieux. Et il semble que plus les pluies sont importantes plus la température

baisse. Mais afin de pouvoir mieux quantifier l’effet d’une pluie sur la température le long de la fibre,

une section sera consacré à l’évolution horaire de la température après les épisodes pluvieux.



10

7. Données DTS brutes 4 courbes des températures sur la fibre

200 400 600 800 1000 1200 140020

25

30

35

40

45

50

distance

Tem

pera

ture

°C

14-May-2009 18:30:01

15-May-2009 00:30:08

15-May-2009 06:30:14

15-May-2009 12:30:21

200 400 600 800 1000 1200 1400

20

25

30

35

40

45

50

distance

Tem

pera

ture

°C

05-Jun-2009 00:04:16

05-Jun-2009 06:04:23

05-Jun-2009 12:04:30

05-Jun-2009 18:04:37

200 400 600 800 1000 1200 1400

20

25

30

35

40

45

50

distance

Tem

pera

ture

°C

05-Jul-2009 00:02:18

05-Jul-2009 06:02:25

05-Jul-2009 12:02:33

05-Jul-2009 18:02:39

Lorsque les températures varient fortement le long de la fibre, on devine que cette dernière n’était

pas entièrement immergée. En Mai et en Juin (début de la saison des pluies), ceci est tout à fait

plausible.

En Juillet, alors que la saison humide est déjà bien engagée, les variations temporelles de la

température sont bien moindres. Surtout s’il a plu très récemment ou qu’il pleut le jour-même.

Identification des sources

Les cercles rouges présentent les

endroits le long de la fibre où les

températures sont invariantes

dans le temps. On peut donc

présumer qu’en ces endroits, un

apport continu et de température

constante intervient. La suite de

l’analyse se focalise sur les quatre

endroits mis en évidence sur ce

graphique. Ils sont considérés

comme des lieux de confluence

avec des sources affluentes de la

rivière dans laquelle se trouve la

fibre optique.

Les graphiques suivants illustrent l’évolution de la température des quatre sources dans le temps.

200 400 600 800 1000 1200 140020

25

30

35

40

45

50

distance

Tem

pera

ture

°C

17-Jul-2009 00:07:55

17-Jul-2009 06:07:02

17-Jul-2009 12:07:08

17-Jul-2009 18:07:16

Start of DTS fiber in the valley

End of DTS fiber in t he canyon

Amont DTS

Amont chute

Amont Z.A.

Source 2



11

5 10 15 20 25 3020

25

30

35

40

45

50

Jours du mois

[°C]

Evolution de la température en May

Amont dts

Amont chuteAmont Z.A.

Source 2

Certaines données manquent pour le mois

de Mai. Pour cette raison, les courbes

s’arrêtent au 21 Mai. En ce qui concerne

l’évolution des températures aux quatre

endroits sélectionnées, elles fluctuent entre

23 °C et 46 °C pour ce mois de Mai.

Chaque crête correspond au moment le plus

chaud de la journée (~13h30). Tandis que les

points bas des courbes correspondent aux

moments les plus frais de la journée (~6h du

matin).

5 10 15 20 25 3020

25

30

35

40

45

50

Jours du mois

[°C]

Evolution de la température en Jun

Amont dts


Source 2

Pour ce mois de Juin, peu de données

manquent et l’ensemble des journées sont

à peu près représentées.

Les températures, elles ont tendances à

diminuer sur l’ensemble du bassin et leur

fluctuation s’amoindrit. On observe un

minimum à 23°C et un maximum à 44°C.

5 10 15 20 25 3020

25

30

35

40

45

50

Jours du mois

[°C]

Evolution de la température en Jul

Amont dts


Source 2

En Juillet, les températures se sont stabilisées

et leur fluctuation est faible. La température

la plus faible est de 23°C environ et la plus

élevée à 37 °C environ.



12

8. Analyse mensuelle En reprenant les mêmes graphes qu’auparavant pour les mois de Juin et Juillet, mais en y ajoutant les

précipitions, on obtient les figures suivantes :

5 10 15 20 25 300

50

100Précipitation horaire [mm]

5 10 15 20 25 3020

25

30

35

40

45

50Evolution de la température en Jun

Jours du mois

[°C]

Amont dts


Source 2

Températures moyennes (Juin) :

Amont DTS -------- 30.17

Amont chute -------- 28.72

Amont Z.A. -------- 31.35

Sources 2 -------- 31.15

5 10 15 20 25 300

50


5 10 15 20 25 3020

25

30

35

40

45

50Evolution de la température en Jul

Jours du mois

[°C]

Amont dts


Source 2

Températures moyennes (Juillet) :

Amont DTS -------- 28.91

Amont chute -------- 29.67

Amont Z.A. -------- 29.82

Sources 2 -------- 29.11

Variation des températures moyennes entre Juin et Juillet :

Amont DTS -------- -1.26

Amont chute -------- +0.95

Amont Z.A. -------- -1.53

Sources 2 -------- -2.04

De l’amont vers l’aval :

Source 2 � Amont Zone Agricole (Z.A.) � Amont chute � Amont DTS

1. Alors que la « courbe noire » (« Amont Zone Agricole ») présente la plus grande variation

pendant le mois de Juin, elle se transforme et ne fluctue que très peu durant le mois de

Juillet.

2. La « courbe jaune » (Amont chute) qui possède la moyenne la plus faible pour le mois de

Juin augmente sa température moyenne en Juillet pour être à peu près identique à celle de

la « courbe noire ».

3. Les moyennes des températures pour les courbes rouge et verte diminuent sensiblement de

Juin à Juillet (-1.26°C et-2°C respectivement).



13

9. Discussion des hypothèses de départ

Les sources susceptibles de recevoir de l’eau depuis la nappe sont les points « Amont Z.A. » (courbes

noires), « Amont chute » (courbes jaunes) et « Amont DTS » (courbes rouges). Une diminution de la

température moyenne à été mise en évidence sur deux de ces trois sources. Seule la source à

l’amont de la chute présente une augmentation de la température.

� La source « Amont Z.A. » est à l’aval d’une vaste zone marécageuse à la sortie du canyon.

� La source « Amont chute » se situe au milieu de la zone de culture. Le terrain est meuble

(sablonneux), mais avec diverses plantations (mil et maïs essentiellement) à sa surface.

� La source « Amont DTS » est au point le plus en aval de la fibre.

Réponse possible à l’hypothèse a) (cf. §5) ;

L’eau profonde possède une température plus froide que l’eau de surface. L’eau de surface s’infiltre,

mais reste exposée aux différents flux journaliers. La journée, sa température augmente donc avec la

température du sol. La nuit, la présence d’eau empêche le sol de se refroidir autant que quand il était

sec. Après un cycle d’un jour, le bilan résultant est le suivant : la température du sol augmente. Ceci

pourrait expliquer le cas de la source à l’amont de la chute.

Pour les deux autres sources, où la température diminue avec l’avancé dans la saison des pluies, ce

n’est visiblement pas le même processus qui intervient.

Comme la température diminue, il se peut qu’il y ait une remontée de la nappe profonde qui apporte

de ses eaux plus froides à la surface. Et donc, les eaux qui parviennent à la rivière par ces sources

sont plus froides en Juillet qu’en Juin lorsqu’il n’y a pas encore beaucoup plu et que la nappe n’est

que très peu remontée.

Réponse possible à l’hypothèse b) (cf. §5) ;

Les graphiques en annexe illustrent beaucoup plus en détails le phénomène. Après une pluie, les

températures diminuent inévitablement.

Réponse possible à l’hypothèse c) (cf. §5) ;

Possible. Les données DTS ne permettent pas de tester cette hypothèse.

Réponse possible à l’hypothèse d) (cf. §5) ;

Les températures de l’eau sont effectivement en moyenne plus élevées dans le canyon que dans la

vallée. Mais ceci n’est pas forcément dépendant de la température de l’air. Le type de sol varie très

fortement entre le canyon et la plaine. Les roches, dans le canyon, emmagasinent une grande

quantité de chaleur (effet corps-noir) alors que la plaine possède un albédo (l’énergie est réfléchie en

arrivant à la surface du sol) assez élevé surtout lorsque les cultures sont absentes.



14

Réponse possible à l’hypothèse e) (cf. §5) ;

Cette hypothèse se base sur des effets trop locaux pour être bien identifiés avec la fibre optique.

Réponse possible à l’hypothèse f) (cf. §5) ;

L’effet local de la végétation est difficilement voire impossible à percevoir sur les données de la fibre

optique. Des paramètres comme l’ensoleillement direct, les vents chauds sont des paramètres

beaucoup plus influents et qu’on pourrait essayer d’identifier sur certain des graphiques. Il en est de

même pour l’estimation de la chute de température due à l’évapotranspiration des plantes. Ce sont

des effets imperceptibles avec cet outil et dans cette configuration.

10. Conclusion

Ce stage au Burkina m’a permis de me familiariser avec cet outil très pratique qu’est la fibre optique.

Elle ne demande aucun entretien, si ce n’est de s’assurer qu’elle n’est pas distendue, ou hors de

l’eau. Elle n’influe aucunement sur le milieu où elle fonctionne. Ce n’est pas le cas de tous les

instruments de mesure dans l’environnement. En outre, j’ai aussi pu acquérir une bonne

connaissance du logiciel Matlab qui me permet de traiter et de représenter rapidement un ensemble

de données sur des graphiques.

Par ailleurs, les réflexions liées au fonctionnement hydraulique des sols environnant la rivière

d’étude m’a permis de réaliser que de multiple composantes sont nécessaires à la compréhension

d’un tel système. De nombreuses questions restent en suspens.

1. Tout d’abord, concernant le rôle des nappes, profonde et de surface, comment évolue-t-il

dans le temps ? La diminution globale de la température est-elle effectivement due à une

remontée des eaux plus profonde ? N’est-ce pas uniquement l’eau de pluie, arrivant en plus

grande quantité, qui abaisse la température des eaux de surface durant la saison pluvieuse ?

Pour la suite de l’étude, il serait absolument nécessaire de disposer des données des mois suivants

(Août et Septembre en tout cas) afin d’avoir une évolution globale.

Perspective :

2. En faisant un bilan hydrique des eaux de surface et plus profonde, serait-il possible de

déterminer les contributions de chacune en suivant les lois de la thermodynamique?

Il est nécessaire de connaître dans ce cas la température de l’eau de pluie, la teneur en eau du sol, la

température de l’eau de la nappe et celle de la rivière à l’embouchure des sources, ainsi que le

volume de sol que la source draine. En admettant que cette dernière transporte un mélange des

eaux de surface et des eaux plus profondes.



15

11. Annexe

Pour le mois de Juin :

4 4.5 5 5.5 60

50


4 4.5 5 5.5 620

22

24

26

28

30

32

34

36

38


Jours du mois

[°C]

Amont dts Amont chute Amont Z.A. Source 2

14 14.5 15 15.50

50


14 14.5 15 15.520

25

30

35


Jours du mois

[°C]

Amont dts


Source 2

26.4 26.6 26.8 27 27.2 27.4 27.6 27.8 280

50


26.4 26.6 26.8 27 27.2 27.4 27.6 27.8 2820

25

30

35


Jours du mois

[°C]

Amont dts


Source 2

8 8.5 9 9.5 10 10.5 110

50


8 8.5 9 9.5 10 10.5 1120

25

30

35

40Evolution de la température en May

Jours du mois

[°C]

Amont dts


Source 2

20.8 21 21.2 21.4 21.6 21.8 22 22.2 22.4 22.60

50


21 21.2 21.4 21.6 21.8 22 22.2 22.4 22.620

25

30

35


Jours du mois

[°C]

Amont dts


Source 2

29.5 29.6 29.7 29.8 29.9 30 30.1 30.2 30.3 30.4 30.50

50


29.5 29.6 29.7 29.8 29.9 30 30.1 30.2 30.3 30.4 30.520

25

30

35


Jours du mois

[°C]

Amont dts


Source 2



16

Pour le mois de Juillet :

1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 20

50


1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.220

25

30

35


Jours du mois

[°C]

Amont dts


Source 2

14.2 14.4 14.6 14.8 15 15.2 15.4 15.6 15.8 160

50


14.2 14.4 14.6 14.8 15 15.2 15.4 15.6 15.8 16 16.220

25

30

35


Jours du mois

[°C]

Amont dts


Source 2

5.2 5.4 5.6 5.8 6 6.2 6.4 6.6 6.8 7 7.20

50


5.2 5.4 5.6 5.8 6 6.2 6.4 6.6 6.8 7 7.220

25

30

35


Jours du mois

[°C]

Amont dts


Source 2

21.1 21.2 21.3 21.4 21.5 21.6 21.7 21.8 21.9 220

50


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