Variabilité Climatique et Réponse Hydrologique du Bassin Versant Transfrontalier de Kolondièba au Sud du Mali

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1 European Journal of Scientific Research ISSN X Vol.43 No.4 (2010), pp EuroJournals Publishing, Inc Variabilité Climatique et Réponse Hydrologique du Bassin Versant Transfrontalier de Kolondièba au Sud du Mali Dao Amidou Université d Abobo-Adjamé, Laboratoire de Géosciences et Environnement 02 BP 801 Abidjan 01 (Côte d Ivoire) Kamagate Bamory Université d Abobo-Adjamé, Laboratoire de Géosciences et Environnement 02 BP 801 Abidjan 01 (Côte d Ivoire) kambamory2@yahoo.fr Mariko Adama Ecole Nationale d'ingénieurs Abderhamane Baba Touré (ENI-ABT), BP 242 Bamako (Mali) Goula Bi Tié Albert Université d Abobo-Adjamé, Laboratoire de Géosciences et Environnement 02 BP 801 Abidjan 01 (Côte d ivoire) Seguis Luc HydroSciences Montpellier, Université de Montpellier 2, Montpellier cede 5, France Maiga Hamadoun Bokar Ecole Nationale d'ingénieurs Abderhamane Baba Touré (ENI-ABT), BP 242 Bamako (Mali) Savane Issiaka Université d Abobo-Adjamé, Laboratoire de Géosciences et Environnement 02 BP 801 Abidjan 01 (Côte d Ivoire) Résumé Dans le cadre du programme international de recherche RIPIECSA (Recherches Interdisciplinaires et Participatives sur les Interactions entre les Ecosystèmes, le Climat et les Sociétés en Afrique de l'ouest), le bassin versant de Kolondièba (3050 km 2 ) a été retenu pour mieu évaluer l impact de la variabilité climatique sur les eau de surface. A partir de données de pluies et de débits, les grandes tendances dans les séries chronologiques et l ampleur de la sécheresse ont été identifiées. L évolution du climat sur ce bassin se caractérise par deu ruptures pluviométriques majeures survenues en 1969 et Ces deu ruptures ont engendré respectivement un déficit de l ordre de 20% et un ecès de près 17%. Elles ont affecté également la récurrence des cumuls pluviométriques. La réponse hydrologique à l ecédent pluviométrique s élève à plus de 100%. Il apparaît toute fois que sur la période , le nombre d années ayant subi une sécheresse sévère est à relativiser.

2 Variabilité Climatique Et Réponse Hydrologique Du Bassin Versant Transfrontalier De Kolondièba Au Sud Du Mali 436 Motsclés: Variabilité Climatique, Eau de Surface, Bassin Versant de Kolondièba, RIPIECSA. Abstract The RIPIECSA project was designed to better understand interaction between climate, ecosystem and west african societies. For this goal, Kolondièba watershed (3050 km 2 ) was selected to better assess the impact of climate variability on surface water. From rainfall and runoff data, trends in time series and the magnitude of drought have been identified. The climate changing in this basin is characterized by two major breaks rainfall occurred in 1969 and These two failures have resulted in a deficit of respectively around 20% and an ecess of about 17%. They also affected the recurrence of cumulative rainfall. The hydrological response to the ecess rainfall is over 100%. It appears any time over the period , the number of years having suffered a severe drought is relative. Keywords: Climate Variability, Surface Water, Kolondièba Watershed, RIPIECSA Introduction L Afrique de l Ouest, sous régime de mousson, est un vaste ensemble dont le climat est régi par le déplacement de la mousson atlantique. Cette partie de l Afrique est frappée au cours de ces dernières décennies par une sécheresse plus ou moins sévère selon que le climat est de type aride, semi-aride et soudanais (Mahé & Olivry, 1995 ; Mahé et al., 2000, Lebel & Vischel, 2005). Cette sécheresse en cours depuis le début des années 70 semble être la conséquence d une forte variabilité climatique du fait d une perturbation probable de la mousson ouest africaine (Bricquet et al.,1996 ; Savané et al., 2001 ; Goula et al., 2006 ; Kouakou et al., 2007 ). Elle est caractérisée par une diminution de l ordre de 20% à 30% de la pluviométrie et une baisse encore plus importante du débit des cours d eau (Servat et al., 1995 ; Paturel et al., 1997 ; L Hôte et al., 2002 ; Lebel & Vischel, 2005 ; Kamagaté, 2006). Cependant, ce contete de baisse hydroclimatique générale est contrarié par eemple par une augmentation du débit du fleuve Nakambé (Burkina Faso) depuis 1970 malgré un déficit pluviométrique important (Diello et al., 2006). Ce paradoe hydrologique est également observé au Niger sous climat sahélien à travers une augmentation du niveau des eau souterraines au cours des 50 dernières années autour de petits étangs endoréiques (Leduc et al., 2001 ; Favreau et al.,2002). Le bassin versant de Kolondièba est un sous-bassin versant du Niger drainé par le fleuve Banifing. L objectif visé est de mieu caractériser la variabilité climatique à travers la pluviométrie à l échelle de ce bassin et évaluer sa réponse hydrologique à partir des variations de débit à l eutoire. Présentation de la Zone D étude Le bassin versant de Kolondièba (3050 km 2 ) est situé au Sud du Mali, entre les longitudes 7,34 W et 6,82 W et les latitudes 10,15 N et 11,08 N. Seulement 5% du bassin se trouve en Côte d Ivoire (Fig.1). Le bassin se situe dans le climat tropical de transition ou climat Sud-soudanien. La pluie moyenne annuelle est de 1080 mm entre 1960 et La saison des pluies relativement longue, dure au moins 6 mois (de mars - avril à octobre - novembre), avec environ 90 jours de pluies par an (Kamaté, 1980). Le réseau hydrographique du bassin est dense de l amont en aval. Le relief est constitué de plateau en amont du bassin, de plaines au centre et de bas-fonds en aval dont l altitude varie en moyenne entre 320 m et 360 m (Fig.1). Il eiste cependant des massifs anciens isolés dont les sommets culminent autour de 560 m. La géologie du Bassin versant est constituée de socle dans sa

3 437 Dao Amidou, Kamagate Bamory, Mariko Adama Goula Bi Tié Albert, Seguis Luc, Maiga, Hamadoun Bokar and Savane Issiaka majeure partie. On observe une intrusion de schiste du Centre au Nord dans la direction WSW-ENE comme l orientation des fractures majeures. Tout le Sud montagneu du bassin est marqué par le birrimien (Guiraud & Travi,1990). La population est essentiellement rurale et relativement dense. La principale activité économique demeure l agriculture. Données et Méthodes Acquisition des Données Les données pluviométriques proviennent du service de la documentation de la Direction Nationale de l Hydraulique (DNH) et de la Météorologie Nationale du Mali. Elles sont enregistrées à partir de 13 postes pluviométriques repartis sur le bassin versant et dont la taille des observations varie d une station à une autre. La plus longue chronique ( ) est enregistrée à la station pluviométrique de Kolondièba, située au voisinage de l eutoire (Fig. 1). Cette longue série permettra de mieu apprécier les variabilités pluviométriques à long terme. Les données hydrométriques sont celles de la période de la station de Kolondièba- Tiendaga située à l eutoire du bassin, etraites de la base de données de la DNH. Figure 1: Situation géographique et relief du bassin versant de Kolondièba

4 Variabilité Climatique Et Réponse Hydrologique Du Bassin Versant Transfrontalier De Kolondièba Au Sud Du Mali 438 Méthodes Calculs des Indices Pluviométriques et Hydrométriques Les indices pluviométriques et hydrométriques permettent de dégager les grandes tendances dans les séries chronologiques. Ils sont calculés par la méthode des moyennes mobiles pondérées ou Filtre passe-bas de Hanning d ordre 2. On procède d abord au filtrage des données pour éliminer les variations saisonnières en utilisant le filtre non récursif passe-bas de Hanning d ordre 2 (moyennes mobiles pondérées). Le calcul de ce filtre est effectué au moyen des équations qui permettent d estimer chaque terme de la série de la manière suivante: ( t) = 0,06( t 2) + 0,25( t 1) + 0,38( t) + 0,25( t+ 1) + 0,06( t+ 2) (1) pour 3 t ( n 2) où (t) est le total pluviométrique pondéré du terme t, (t-2) et (t-1) sont les totau observés de deu termes qui précèdent immédiatement le terme t, (t+2) et (t+1) sont les totau observés de deu termes qui suivent immédiatement le terme t. Les totau pondérés des deu premiers [(1), (2)] et les deu derniers[ (n-1), (n)] termes de la série sont calculés au moyen des epressions suivantes (n étant la taille de la série): ( 1) = 0,54(1) + 0, 46(2) ( 2) = 0,25(1) + 0,50(2) + 0, 25(3) (2) ( n 1) = 0,25( n 2) + 0,50( n 1) + 0, 25( n) ( n) = 0,54( n) + 0, 46( n 1) Pour mieu visualiser les périodes de déficit et d ecédent à l échelle interannuelle, les moyennes mobiles clculées ont été centrées et réduites à partir de la formule suivante: (P - P) V cr = (3) σ où Vcr est la Variable centrée réduite (Indice pluviométrie ou hydrométrique selon la variable étudiée), P est le cumul de la variable sur une période t donnée, P est la moyenne de la série chronologique sur la période d étude et σ est l écart type de la série sur la période d étude. Tests de Détection des Ruptures dans les Séries Chronologiques Les tests de rupture permettent d identifier les années charnières du changement climatique. Ils viennent en appoint au indices pluviométriques et hydrométriques. L eistence de modifications brutales dans les séries hydroclimatiques est une cause possible de l hétérogénéité de ces séries (Kouakou et al., 2007). Les tests de rupture sont basés sur la méthode bayésienne de Lee et Heghinian, de Pettitt et de la segmentation de Hubert. Les tests de Lee et Heghinian et de Pettitt détectent une rupture au maimum tandis que la segmentation d Hubert permet d en détecter plusieurs si elles eistent dans une série chronologique de données. Leur application est effectuée à l aide du logiciel KhronoStat 1.01 développé par l Institut français de Recherche pour le Développement (IRD). Estimation des Périodes de Retour des Pluies Autour des Ruptures Le logiciel HYFRAN 1.1 développé par l Institut canadien (INRS-ETE), est utilisé ici pour effectuer une analyse fréquentielle des cumuls pluviométriques portant sur chaque période de rupture qui sera identifiée. L objectif est de déterminer une éventuelle variation de la période de retour d une pluie P quelconque du fait de la rupture. Un ajustement statistique à partir de la loi de Gumbel mieu adaptée à

5 439 Dao Amidou, Kamagate Bamory, Mariko Adama Goula Bi Tié Albert, Seguis Luc, Maiga, Hamadoun Bokar and Savane Issiaka la zone tropicale (Goula et al., 2007), est préalablement réalisé afin de transformer les pluies en quantiles avant le calcul fréquentiel. L intérêt de ce calcul est d apprécier l impact de la variabilité climatique sur le choi des pluies (et débits) de projet dans le dimensionnement des ouvrages hydrauliques. Détermination de L ampleur la Sécheresse Gammes de Valeurs SPI et Signification Des gammes standard des valeurs des indices SPI permettent d apprécier l ampleur de la sécheresse (ou de l humidité) pour chacune des années de la série chronologique (Wu et al., 2005). A l issue de cette opération, il est possible de déterminer le nombre d années par gamme SPI et la signification correspondante en terme d ampleur du phénomène climatique (Tableau 1) à partir de l équation suivante: n i A i = 100 (4) N où A i est le pourcentage des années concernées par la classe i (Tableau 1), n i est le nombre d année de la classe i et N, le nombre total d années sur la période d étude. Tableau 1: Différentes classes de indices SPI et leur signification N classe Classe SPI Interprétation 1 SPI>2 Humidité Etrême 2 1<SPI<2 Humidité Forte 3 0<SPI<1 Humidité Modérée 4-1<SPI<0 Sécheresse Modérée 5-2<SPI<-1 Sécheresse Forte 6 SPI<-2 Sécheresse Etrême Déficit (ou Ecès) Pluviométrique et Hydrométrique Le phénomène dominant sur l ensemble de la série chronologique est enfin obtenu pour la gamme SPI pour laquelle on enregistre le pourcentage le plus élevé. L ampleur de la sécheresse peut également être évaluée à partir du calcul de déficit. Pour les variables hydroclimatiques dont la série chronologique présente une rupture, cette méthode précise le pourcentage de variation de la moyenne autour de la date de rupture (Mahé et Olivry, 1995). Ce déficit s obtient par la formule suivante: j D = 1 X 100 (5) i où D est le déficit pluviométrique ou hydrométrique, i j moyenne de la période après la rupture. est la moyenne de la période avant la rupture, Résultats et Discussion Indices Pluviométriques et Hydrométriques L évolution des indices pluviométriques entre 1960 et 2008, laisse entrevoir trois ruptures possibles. Avant la première rupture qui marque la fin de la décennie 1960, on enregistre des indices pluviométriques positifs. Ceci est caractéristique de pluies annuelles supérieures à la moyenne

6 Variabilité Climatique Et Réponse Hydrologique Du Bassin Versant Transfrontalier De Kolondièba Au Sud Du Mali 440 interannuelle du fait d un régime pluviométrique ecédentaire pendant cette période. Pour la séquence , près de 90% des années concernées correspondent à des indices pluviométriques et hydrométriques négatifs traduisant un régime pluviométrique déficitaire (Fig.2). Un retour au années ecédentaires a lieu après cette séquence déficitaire jusqu en La décennie 2000 non encore achevée, est caractérisée par une alternance d indices positifs et négatifs. Un suivi ultérieur de la suite de la série permettra de mieu dégager la tendance de cette décennie. Tests de Ruptures Pluviométriques et Hydrométriques Pour trancher sur le nombre de ruptures pluviométriques à retenir, l application des tests de Lee et Heghinian, de Pettitt (Tableau 2) ont permis de détecter une seule rupture en 1969 tandis que la segmentation de Hubert en a détectée une en 1969 et une autre en 1992 en accord avec l évolution des indices observée précédemment. Mahé et al. (2000) dans leur étude sur le Bani et Kouakou et al. (2007) sur le bassin versant de la Comoé, ont observé des ruptures pluviométriques entre les années 1968 et C est aussi le cas de Goula et al. (2006) sur le bassin du N zi en Côte d Ivoire. Cette rupture montre que le bassin versant de Kolondièba s intègre bien dans la fluctuation générale du régime pluviométrique observée à la fin des années 1960 en Afrique de l Ouest. Figure 2: Indices pluviométriques et hydrométriques de 1960 à ,5 2,0 1,5 Pluie Débit 1,0 Indice 0,5 0,0-0,5-1,0-1,5-2, Quant à la rupture de 1992, elle semble être spécifique au bassin versant du Bani car elle a été aussi confirmée par Mahé et al. (2000) sur le fleuve sur le Bassin du Niger. Les tests de ruptures appliqués au données hydrométriques (Tableau 2) ont confirmé une seule rupture sur les deu observées à partir des indices pluviométriques. Celui de Lee et Heghinian a détecté une rupture en 1988 tandis que ceu de Pettitt et Hubert ont confirmé celle de Après les ruptures aussi bien pluviométriques que hydrométriques observées en 1969 par Lebel et Vischel (2005) ; Servat et al. (1995) ; Goula et al. (2006) et par Mahé et al. (2000) en 1991, la rupture de 1988 parait spécifique à la qualité des données et au tests utilisés. Sur trois tests appliqués, celui de Lee et Heghinian est le seul à la détecter. Variabilité de la Récurrence des Pluies Autour des Ruptures De façon générale, les cumuls pluviométriques annuels sont d autant plus importants qu ils sont rares (Fig. 3). Avant la rupture de 1970, les pluies annuelles inférieures à 1350 mm ont affiché une récurrence d au moins 1 fois tous les 5 ans (Fig. 3a). Au delà de cette valeur, précisément à partir de

7 441 Dao Amidou, Kamagate Bamory, Mariko Adama Goula Bi Tié Albert, Seguis Luc, Maiga, Hamadoun Bokar and Savane Issiaka 1420 mm, les cumuls annuels présentent des périodes de retour longues (20 ans) à très longues (100 ans). De 1970 à 1992, pour les mêmes périodes de retour, les pluies annuelles ont significativement diminué de cumul (Fig. 3b). Par eemple, avec une période de retour de 3 ans avant 1970, le cumul pluviométrique de 1300 mm est devenu centennal. Figure 3: Impact des ruptures pluviométriques sur la récurrence des pluies annuelles ; (a): période de , (b): période de et (c): période de période de retour (ans) Période de retour (ans) Période de retour (ans) a) b) c) Pluie annuelle (mm) Tableau 2: Résultat des tests de rupture appliqués au données pluviométriques et hydrométriques Tests de rupture Pluviométrie ( ) Segmentation Hubert Année ou Période de rupture Moyenne avant 1 ière rupture (mm) Moyenne après 1 ième upture (mm) Lee et Heghinian Pettitt [ ] 1277 Moyenne après 2 ième rupture (mm) [ ] 968 [ ] 1135 Lee et Heghinian Pettitt Hydrométrie ( ) Segmentation [ ] 26 Hubert [ ] 63 Le changement climatique des années 1970 a donc eu pour impact une variation de la récurrence des pluies annuelles jusqu en En revanche, après 1992, la récurrence des pluies annuelles a basculé vers le comportement observé pendant la décennie 60 (Fig. 3c). Cette nouvelle tendance témoigne d une reprise pluviométrique qui semble rompre la longue sécheresse observée par plusieurs auteurs (Mahé et Olivry, 1995 ; Mahé et al., 2000 Savané et al., 2001 ; Goula et al., 2006 ; Kouakou et al., 2007).

8 Variabilité Climatique Et Réponse Hydrologique Du Bassin Versant Transfrontalier De Kolondièba Au Sud Du Mali 442 Ampleur de la Sécheresse Gammes de Valeurs SPI et Signification La variabilité hydroclimatique s est matérialisée par une alternance d années humides et sèches au regard de l évolution des indices SPI. Sur la base de ces indices eprimés par les données pluviométriques pour la période , 37% des années d observation ont subit une sécheresse modérée et seulement 18 % correspondent à un régime de sécheresse forte. A l opposé, sur la même période, 33% des années se déroulement sous un régime à humidité modérée et les 12% restants correspondent à une humidité allant de forte à etrême (Tableau 3). Les SPI eprimés à partir des débits sont caractéristiques d une sécheresse (62%) allant de fort (25%) à modérée (37%). Les 38% des années restants ont subit une humidité à intensité variable (Tableau 3). Sur l ensemble des deu paramètres hydroclimatiques, la sécheresse revêt un caractère globalement modéré. En revanche, un nombre d années non négligeable ont subi de très forte sécheresse, ce nombre apparaît en outre plus élevé pour l écoulement. Tableau 3: Ampleur de la sécheresse (et de l humidité) entre Variables Gamme SPI Interprétation % d années SPI>2 Humidité etrême 2 Pluviométrie ( ) Hydrométrie ( ) 1<SPI<2 Humidité forte 10 0<SPI<1 Humidité modérée* 33* -1<SPI<0 Sécheresse modérée* 37* -2<SPI<-1 Sécheresse forte 18 SPI>2 Humidité etrême 3 1<SPI<2 Humidité forte 19 0<SPI<1 Humidité modérée 16-1<SPI<0 Sécheresse modérée* 37* -2<SPI<-1 Sécheresse forte* 25* * le phénomène climatique dominant Déficit (ou ecès) Pluviométrique et Hydrométrique Avant 1969, la pluie moyenne annuelle est de 1277 mm. Elle est passée à 968 mm entre 1970 et Ceci correspond à un déficit de 24% qui s inscrit dans la même gamme que celle observée ailleurs (Paturel et al., 1997 ; Servat et al., 1995). Après 1992, la tendance a basculé à un ecès de près de 17% jusqu en Contrairement à la pluviométrie, la série hydrométrique est tronquée car elle démarre en 1972 et s arrête en 2003 à titre de rappel. Une rupture est observée en 1988 par le test de Lee, mais celle-ci n est pas confirmée par les deu autres qui retiennent plutôt 1992 en accord avec la pluviométrie. Cette rupture a engendré un gain de 142% par les écoulements. On en déduire que pour un ecès pluviométrique de 17%, on obtient un regain de 142% dans les écoulements soit 8 fois l ecédent pluviométrique (Tableau 4). Ceci traduit la non-linéarité entre pluie et débit dans le bassin versant de Kolondièba comme c est le cas en zone soudanienne.

9 443 Dao Amidou, Kamagate Bamory, Mariko Adama Goula Bi Tié Albert, Seguis Luc, Maiga, Hamadoun Bokar and Savane Issiaka Tableau 4: Pluviométrie ( ) Hydrométrie ( ) Déficits (ecès) pluviométriques et hydrométriques autour des années de rupture Année ou Période de rupture Moyenne avant 1 ière rupture (mm) Moyenne après 1 ième rupture (mm) Moyenne après 2 ième rupture (mm) Déficit (ecès) (%) [ ] 1277 [ ] [ ] [ ] 26 [ ] Conclusion L objectif de ce travail était de mieu caractériser la variabilité climatique et évaluer son impact sur l écoulement de surface. De 1960 à 2008, la variabilité climatique sur le bassin versant de Kolondièba s est caractérisée par deu ruptures pluviométriques majeures intervenues en 1969 et La première rupture, caractéristique d un régime déficitaire a engendré une perte pluviométrique de l ordre de 20% et une raréfaction des pluies annuelles de plus en plus fortes. La deuième rupture a généré un ecès pluviométrique de près de 17% et une augmentation de la récurrence des fortes pluies, traduisant un retour à la tendance ecédentaire. La réponse hydrologique à cet ecédent pluviométrique s élève à plus de 100%. En termes de nombre d années, la sécheresse présente néanmoins un caractère modéré. Cette étude met en relief la non-linéarité de la relation entre pluie et débit en milieu tropical. Dans une perspective à moyen terme, une analyse plus fine de la contribution des réservoirs souterrains au processus de production des débits permettra de mieu comprendre cette relation.

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