Environnement et modélisation hydrologique. Synthèse de réflexions menées au cours du programme RESSAC

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1 Environnement et modélisation hydrologique Synthèse de réflexions menées au cours du programme RESSAC

2 Contexte de déficit pluviométrique var. relative entre et avt 70 NC < -25% entre -25% et -15% entre -15% et -5% S entre -5% et +5% entre +5% et +15% entre +15% et +25% > 25% frontières Bassin du Bani à Sofara Bassin du Niger N W E Kilomètres S

3 et de déficit d écoulement Nom Station Beneny Kegny période série Douna Dioila Bougouni Kouto aval Bowara Bananso période déficit période déficit période déficit / % / % / % / % / % / % / %

4 0.25 Évolution du coefficient d écoulement Douna Dioila Bougouni

5 Koulikoro Douna 5.00E+07 Courbes de débits cumulés 2.00E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E+00 01/ / / / / /2007 Koulikoro (1) Koulikoro (2) Douna

6 Comment expliquer ce décalage? Pluie : -20/-25% Ecoulement : -65/-70% Pistes à explorer : Prélèvements humains et bétail Anthropisation du bassin Hydro-aménagements Mise en culture Modification du tracé des BV création d endoréisme Phénomène «naturel» Climatologique Recharge par les nappes souterraines

7 Bilan (1) Prélèvements humains restent faibles (< 1%) Prélèvements bétail (plus nombreux dans le nord 2 fois plus nombreux que humains) Plutôt dans le nord mais migrations Tendances? Contraintes d espace Impact probablement encore faible

8 Bilan (2) Anthropisation Hydro-Aménagements Estimation de 600 HA (6 pour 1000 km²) Très peu d informations Techniques Fonctionnement Impact difficile à déterminer mais à ne plus négliger Projets : capacités > ressources depuis 1970

9 Bilan (3) Modification du tracé des bassins versants : Impact de la route Bamako-Bougouni-Sikasso sur les écoulements du «haut-bassin» vers le «moyen bassin» À étudier

10 Bilan (4) Autres facteurs : Anthropisation (mise en culture) Phénomène «naturel» On peut envisager de les prendre en compte dans des modèles hydrologiques conceptuels physiques

11 Travaux ORSTOM Casenave, Collinet, Lafforgue & Valentin En zone de savane sèche (400 < P < 800 mm) pas de relation nette entre l'aptitude au ruissellement et les organisations pédologiques internes. états de surface semblent déterminants pour l'hydrodynamique superficielle. 3 variables (pourcentage de couvert végétal, activité faunique et réorganisations de surface) suffisent à expliquer le coefficient d'infiltration mesuré sous pluies simulées En zone de savane humide (800 < P < 1600 mm) influence de la couverture pédologique est sensible mais s'exprime surtout par l'intermédiaire des propriétés de l'horizon humifère et de la surface. infiltrabilité dépend largement de l'importance du couvert herbacé. zone plus complexe puisque l'infiltration y dépend des organisations pédologiques internes des états de surface lesquels sont sujets à des variations saisonnières importantes.

12 Travaux ORSTOM Casenave, Collinet, Lafforgue & Valentin Définition des états de surface Le terme «état de surface», au sens de Casenave et Valentin (1991), désigne toute surface élémentaire, toute association de surfaces élémentaires, toute juxtaposition de surfaces élémentaires, et tout système interdépendant de surfaces élémentaires. La surface élémentaire se définit comme tout ensemble homogène constitué à un instant donné, du couvert végétal, du type de sol et des organisations pédologiques superficielles qui ont subi des transformations sous l effet des facteurs météorologiques, fauniques ou anthropiques (les croûtes).

13 Comment rendre cela en modélisation hydrologique? Cas des modèles conceptuels (GR2M)

14 Travaux HSM sur GR2M développer une modélisation Pluie-Débit pertinente qui prenne en compte la variabilité hydrologique et anthropique évaluer l'impact de différents scénarii sur la ressource en eau de surface

15 simuler les écoulements à l aide de GR2M en utilisant différents algorithmes de calibration et jeux de données observées ou scenarii climatiques Grilles d entrée de Pluie et d ETP

16 Réflexions Schéma générique des modèles GR (GR2M) Pluie ETP Ecoulement «rapide» paramètres Hauteur de réservoir Ecoulement «lent» Ecoulement total

17 Pluie ETP Hauteur de réservoir paramètres Ecoulement «rapide» Ecoulement «lent» Ecoulement total «transformation» d un paramètre en variable : assimilation à une capacité de rétention en eau du sol (WHC)

18 Pluie ETP Ecoulement «rapide» paramètres Hauteur de réservoir Ecoulement «lent» Ecoulement total comment modéliser «moins de pluie plus d écoulement»?

19 Pluie ETP Ecoulement «rapide» paramètres Hauteur de réservoir Ecoulement «lent» Ecoulement total ETP : pas de variabilité clairement identifiée et modèle peu sensible à cette variable

20 Pluie ETP Ecoulement «rapide» paramètres Hauteur de réservoir Ecoulement «lent» Ecoulement total augmentation diminution de l écoulement diminution augmentation de l écoulement

21 Pourquoi cette capacité de rétention en eau évolueraitelle? Modification de l environnement / modification des états de surface qui impacte sur la répartition de l eau de pluie entre ses composantes terrestres : ruissellement, infiltration, évaporation, transpiration phénomène météorologique (données < jour) activités fauniques et/ou humaines

22 Amélioration possible du modèle GR2M en tenant compte d une évolution des états de surface auxquels on associe un coefficient de ruissellement (mesuré sur des parcelles ou sur des petits bassins versants) Bons résultats sur les régions sahéliennes (Thèse de Diello ) 4 principaux types d états de surface : les surfaces en végétation naturelle (jachères y compris), les surfaces cultivées, les sols nus (sols complètement dégradés et dénudés), les plans d eau (barrages et autres retenues d eau). Sur des zones plus humides comme le Bani?

23 Nécessité de connaître le pourcentage associé à chaque état de surface par point de grille (photo aériennes images satellites)

24 et les modes de transformation du milieu (Sahel) 1. La dégradation climatique et anthropique des sols : due au dessèchement du couvert végétal avec encroûtement et dénudation des sols sous l effet conjugué des actions de l homme et du climat, 2. La mise en culture : due au défrichage de la végétation pour la création de nouvelles parcelles de culture, 3. La mise en jachère : ne pas ensemencer un champ au cours d'une ou de plusieurs saisons successives afin de permettre au sol de se régénérer, 4. La restauration des sols : toutes les techniques de récupération des terres dégradées à l aide de pratiques telles que le zaï, les demi-lunes ou le reboisement, 5. Les aménagements hydro agricoles et l urbanisation.

25 Bassin du Bani Zone plus complexe puisque l'infiltration y dépend des organisations pédologiques internes des états de surface lesquels sont sujets à des variations saisonnières importantes.

26 Images Satellites (occupation du sol) : années 1970, 1985 et 2000 Aires cultivées Aires non-cultivées Denis Ruelland, Madina Diancoumba

27 Pédologie : plusieurs classifications avec aucun recouvrement apparent entre elles système français autres systèmes

28 Données Roose (2010) Type de sol Eau stockable (mm) Culture hauteur de sol (mm) Jachère / Végétation naturelle Eau hauteur de stockable sol (mm) (mm) brun vertique ferrugin eux ferralitiq ue lithosol

29 Données Thèse Diallo (1999) + Roose (2010) Coefficients de ruissellement annuels moyens Occupation du sol Type de sol Culture (W Culture Jachère min) (labour) Sols nus brun vertique 22% 26% 27% 42% ferrugineux 22% 25% 45% 45% ferralitique 3% 20% 20% 33% lithosol 41% 41% 41% 41% Ruissellement : sols nus > cultures > jachères Lithosols : égaux Ferralitique : cultures >> jachères

30 surfaces cultivées (km²) %age de types de sol Milliers 18 Répartition des types de sols cultivés sur le bassin du Bani à Douna 70% 16 60% 14 50% % 30% 20% culture km² brun ferrugineux ferralitiques lithosols 2 10% %

31 Kram Stock d'eau 26% Valeurs de coefficient de ruissellement annuel moyen (kram) et stock d'eau sur le bassin du Bani à Douna % % % 24% 24% kram (global-wmin) kram (global-labour) stock mm (global) 23% année

32 Bilan anthropisation (jachères cultures) entraine une augmentation du ruissellement baisse de la hauteur du réservoir de notre modèle problème sur les résultats de télédétection? Probablement problème sur les observations : échantillons faibles résultats d observations sur des parcelles et non sur des bassins versants Problème du transfert d échelle Influence de la répartition le long du versant des différents types d états de surface

33 Une piste : Haut plateau 11 Haut versant 13 Mi-pente 45 Plaine 4 Talweg et bas-fond 27 total 100

34 Classif 70 s Classif 80 s Classif 2000 s Haut plateau Haut versant Mi-pente Plaine Talweg et bas-fond total Répartition en % de la localisation des cultures selon la carte de toposéquences Mouvement (?) vers les bas-fonds et les thalwegs aux dépends du haut de la toposéquence bas-fonds,majoritairement des sols bruns vertiques

35 Synthèse Résultats de télédétection bons à l échelle globale mais à une échelle plus fine? difficile à partir des résultats de télédétection et de la carte des sols de dégager une tendance sur les bassins sur le type de sols qui est dorénavant le plus cultivé contraintes de milieu qui font qu au sud du bassin les sols sont plutôt ferralitiques alors qu au nord ils sont plutôt ferrugineux. tendance globale observée et confirmée (?) par les résultats de la télédétection croisés avec la carte de toposéquences du bassin : migration des cultures vers les bas-fonds (majoritairement des sols bruns vertiques) du fait d une mécanisation accrue - sols riches auparavant peu cultivés car travail difficile. capacité de stockage en eau du sol beaucoup plus importante que sur les autres types de sol : 2 à 6 fois. mécanisation de la culture rend ces sols moins ruisselants que les autres types de sol Problème du transfert d échelle qui semble plus important sur les zones humides que sur les zones sèches

36 Autres pistes (1) Modification du régime des pluies De part et d autre de 1970, le nombre de jours de pluie a fortement diminué (19%) La hauteur moyenne d un jour de pluie a diminué (4%) La hauteur maximale d un jour de pluie a fortement diminuée (15%) Les proportions de jours de pluie [0 ; 5], [5 ; 10], [10 ; 20] et [20 ; 40] n ont guère changé (0 à 2% d augmentation relative. Par contre la proportion de jours de pluie supérieure à 40 mm a fortement décru : 14% (comme ces événements sont rares, en fait 1 jour de pluie en moins est observé) Le nombre de jours de pluie pouvant provoquer un ruissellement a très sensiblement diminué : le nombre de jours de pluie dépassant 20 mm est passé de 19 à 15 L intermittence moyenne entre les pluies était de 1.46 jours, elle est maintenant de 1.62 ; concernant les jours de pluie pouvant entrainer un ruissellement, elle est successivement de 7.37 et 8.33, 1 jour d écart Comment prendre cela en compte?

37 Autres pistes (2) Modification de la température Température journalière : augmentation sur le bassin du Bani entre 1950 et aujourd hui écart par rapport à C température minimale journalière : +1.5 C température maximale journalière : +0.6 C Relation ETP / température moyenne non univoque : recommandation des formules de Walker ou Turc (Riou) Station de Sikasso : +1 C +1.3% de l ETP Impact sur l ETP de l augmentation des surfaces cultivées à l échelle du bassin?

38 Autres pistes (3) Modifier les autres paramètres du modèle X1 : réservoir de production Calages glissants : lien net avec le coefficient d écoulement annuel X2 : réservoir de routage Calages glissants : augmentation Vers une prédétermination des paramètres

39 MERCI