FOCUS SUR LE DISPOSITIF INSTRUMENTAL DE WANKAMA

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1 FOCUS SUR LE DISPOSITIF INSTRUMENTAL DE WANKAMA PRESENTATION RAPIDE DU PROGRAMME INTERNATIONAL DE RECHERCHE AMMA Les trois Meso-sites du SO AMMA-CATCH Le sahel a connu sur une trentaine d année l un des plus longs épisodes de sécheresse jamais observé à l échelle monde en raison des perturbations que connait la mousson ouest africaine (MOA), un système qui apporte l essentiel des précipitations annuelles dans cette zone. Cependant très peu d observations sont disponibles pour comprendre les raisons de cette perturbation et documenter ses impacts sur les différents termes cycle hydrologique continental ainsique les activités anthropiques. La compréhension, la quantification, voire la prédiction des impacts de cette variabilité climatique et environnementale nécessite de conduire des études intégrées et multidisciplinaires. Lancé au début des années 2000, le programme international de recherche AMMA 1 vise à mieux comprendre cette forte variabilité décennale de la MOA, d améliorer la prévisibilité de cette dernière à différentes échelles spatio-temporelle. Pour atteindre ses objectifs le programme s appuie sur une large gamme d observations sur toute l Afrique de l ouest notamment le système d observation AMMA-CATCH 2 crée en Ce dernier constitue un réseau d observation à long terme de la dynamique de la végétation, du cycle de l eau, de l énergie en lien avec les fluctuations 1 Analyse multidisciplinaires de la mousson africaine 2 Couplage de l Atmosphère Tropicale et du Cycle Hydrologique

2 climatiques et environnementales qui caractérisent le sahel. Les observations sont effectuées sur 3 sites de méso-échelle choisis suivant le gradient éco-climatique latitudinal : - le Gourma Malien pour le Sahel pastoral, - le sud-ouest du Niger pour le sahel agropastoral - le bassin de Ouémé au Bénin pour la zone soudanienne. Sur chaque site de méso-échelle (Mali, Niger, Bénin), on réalise des observations détaillées des processus sur des "supersites" et des sites locaux densément instrumentés notamment concernant les flux à l'interface sol-atmosphère, la fermeture du bilan hydrique et de l énergie. Le SO (Service d Observation) AMMA-CATCH en Afrique de l ouest est soutenu financièrement par l IRD, l INSU et l OREME. ZOOM SUR LE SITE D OBSERVATION DE WANKAMA Le présent article vise à faire une présentation succincte du site d observation AMMA- CATCH au sud-ouest Niger et effectuer un focus sur le dispositif instrumental destiné à l analyse couplée des cycles de l eau et de l énergie situé sur le bassin versant Wankama. Site expérimental du SO AMMA-CATCH du Sud-ouest Niger Bâti autour les acquis du programme Hapex Sahel (Hydrologic-Atmospheric Pilot Experiment in the Sahel) conduit dans les années 90, le méso-site expérimental du SO AMMA-CATCH au Sud-ouest du Niger s étend sur une fenêtre comprise entre (13-14 N, E) appelée degré carré de Niamey (10000 Km²). Dans cette fenêtre, il est délimité le super site de Fakara (~1700Km²) pour des études à échelles intermédiaires, deux petits bassins endoréiques densément instrumentés Wankama (2 Km²) et Tondikiboro (0.2Km²) pour une analyse fine des processus de surface à l échelle locale. Le site Amma-catch au sahel agropastoral vise à améliorer la compréhension des systèmes hydrologiques(notamment l hydrologie des bassins endoréiques et leur réponse face à la variabilité climatique et à la dynamique des pratiques locales à partir des dispositifs d observations pluriannuelles sur la pluie, les écoulements de surface, les interactions surface-souterrain, la hauteur des nappes, les flux de surface et bilan d énergie, le cycle saisonnier de la végétation et le fonctionnement éco-hydrologique de couverts. Il est porté par les labos LTHE de Grenoble, HydroSciences Montpellier, le GET et accompagnés par des partenaires locaux, UAM, Université de Maradi, Agrhymet, ABN, etc.

3 source : Comme on peut le constater c est sur cette fenêtre que sont déployés les réseaux de suivi pluviométrique et de la hauteur de la nappe phréatique du continental terminal du SO AMMA-CATCH. Le réseau pluviométrique du SO AMMA-CATCH Niger Ce réseau est constitué d une quarantaine de pluviographes dispersés le méso-site du degré carré de Niamey. Ces pluviographes sont équipés d augets basculeurs (0,5 mm de hauteur d eau par basculement), et sont munis d un cône de 400 cm 2, des systèmes d acquisition des données type Hobos.

4 Le réseau de suivi de la hauteur de la nappe phréatique du CT du SO AMMA-CATCH Niger Ce réseau est constitué de 37 puits visités à fréquence mensuelle et 33 puits visités à fréquence annuelle et sur lesquels des mesures de niveau sont réalisées à l aide d une sonde piézométrique manuelle de type OTT Focus sur le dispositif expérimental de Wankama Situé à 60 Km à l est de Niamey, le site de Wankama (2,63 E; 13,65 N)est l un des sites locaux densément instrumenté de l observatoire AMMA-CATCH Niger. Il s agit d un petit bassin endoréique d environ 2 Km² qui présente une toposéquence typique du sud-ouest nigérien (avec de l amont vers l aval, un plateau cuirassé, des versants sableux et des bas- fonds) avec des écoulements de surface qui aboutissent à des mares temporaires. Différentes type de couvert sont suivis sur ce bassin à partir des parcelles de jachère arbustive dominé par l espèce Guiéra Sénégalensis, champ de mil, zone de végétation naturelle dégradée, ravines, zone d épandage, la mare et le plateau. Outre les mesures sur la pluie, les écoulements de surface, hauteur des nappes, ce site est équipé de stations météorologiques, de mesures d'humidité des sols et, à compter de 2005, de mesures des flux turbulents de chaleur sensible et de H20/CO2.

5 Carte des instruments déployés sur le site intensif local de Wankama Niger Source : Aperçu de l ensemble de l instrumentation scientifique présente sur le bassin versant de Wankama, des opérations de suivi et de maintenance effectuées sur les instruments et les perspectives Les différentes stations et mesures déployées sur le site de Wankama 1) Les stations de mesure d Eddy Flux 4 stations de mesure de flux de surface par la méthode d Eddy covariance sont déployées sur le site de Wankama pour une analyse fine des interactions surface-atmosphère et des termes des bilans d eau et d énergie sur divers types de parcelle. Il s agit d une tour équipée de capteurs permettant acquisition sur des centrales type Campbell(photo ci après)à une fréquence de 20Hz des données de flux turbulents (H, LE) et du CO 2. À côté de ces capteurs fonctionnant à haute fréquence on a des données provenant des capteurs météo standards avec un échantillonnage à basse fréquence (acquisition à la minute et semihoraire).

6 Centrales d acquisition type Campbell Stations d Eddy flux sur les parcelles de Mil et Jachère arbustive Parcelle de Mil instrumentée Parcelle en jachère instrumentée Visite de s techniciens de l IRD sur 2 sites abritant 2 tours, appelées «Tour de flux» équipées identiquement de capteurs mesurant les variables (voir ci-dessous indiquées). Ces tours sont déployées, sur une parcelle de champ de mil et une de jachère arbustive.

7 Source : velluet, 2014 Ces stations mesurent donc les flux de chaleur sensible (H) à partir de données à 20Hz provenant d'un anémomètre sonique (Campbell CSAT-3), le flux de chaleur latente (ou flux d'évapotranspiration, LE) et flux de carbone (Fco2) grâce à un LI-COR de type open-path (Li- COR 7500), le bilan radiatif (Rnet) grâce à un radiomètre différentiel (CNR1 ou CNR4 de Kipp & Zonen), mesurant séparément les rayonnements incidents et réfléchis en courtes et grandes longueurs d'onde, le flux de chaleur dans le sol (G) sont également mesurés par trois capteurs (Hukse flux HFP01SC) placés à 5cm de profondeur. Ainsi, toutes les composantes du bilan énergétique de la surface sont échantillonnées pour chacun des deux sites.

8 Sur la zone d épandage et celle de végétation naturelle dégradée Parcelle instrumentée sur la zone d épandage Parcelle instrumentée sur la zone de végétation naturelle dégradée Pour ces deux parcelles où nous avons des stations dites HFS (Heat Flux system) l instrumentation est faite suivant le dispositif indiqué sur la figure ci-après :

9 a) Station d humidimétrie Wankama 2 + b) Station d humidimétrie Wankama 1+ Profil vent avec anémomètres Young Ces stations mesurent le flux de chaleur sensible (H) à partir de données à 20Hz provenant d'un anémomètre sonique (Gill Solent R3-50), le bilan radiatif (Rnet) donné par un radiomètre différentiel (CNR1 de Kipp&Zonen), le flux de chaleur dans le sol est calculé ici à partir de sondes de températures placées à deux profondeurs différentes (Campbell PT-107 ou PT- 108), 10 et 50 cm. 2) Les stations d humidimétrie (ou de suivi de l humidité du sol) Deux stations situées l une à l amont et l autre en aval de la zone d épandage sont installées sur le bassin de Wankama, chacune étant équipée sur une profondeur de 2.50m de capteur d humidité, de température et de tensiomètres. En outre, sur chacune d elle, est branché un profil vent comportant 2 anémomètres.

10 3) La station météo sur le plateau Elle y a été installée en en juin 2012 et équipée d un anémomètre Windsonic 2D et d un capteur de température et humidité de l air. L objectif étant de faire une intercomparaison avec les mêmes variables mesurées sur les différentes stations déployées sur le bassin. Station Wankama Plateau 4) Les stations d enregistrement automatique des niveaux d eau et de Jaugeage Il en existe deux de ces stations sur le bassin de Wankama le long de la ravine principale. Elles sont équipées d un déversoir sur les parois duquel sont fixés un tube pour mettre en place l enregistreur automatique de hauteur d eau (ex Thalimèdès de chez OTT) et une échelle limnimétrique pour des observations manuelles Station de jaugeage Amont zone d épandage

11 5) L instrumentation sur la mare Ouest de Wankama couplé au réseau de piézomètres Le dispositif vise à mieux cerner les interactions surfacesouterrain au niveau ces endroits reconnu être zones privilégiées de recharge de la nappe phréatique Sur la mare, le dispositif est constitué d un enregistreur automatique de niveau type Thalimèdes, d un capteur de pression type STS et une batterie d échelle limnimétriques. Quatre piézomètres (P0, P1, P2, P3) équipés d enregistreurs automatiques type Diver dont le premier est implanté au milieu de la mare permettent de quantifier la recharge à partir des eaux superficielles et établir un bilan hydrique. Instrumentation sur la mare Ouest de Wankama Échantillonnage sur le piézomètre P3

12 6) Les parcelles de suivi de la végétation Plusieurs parcelles de suivi de la végétation sont délimitées de l amont à l aval du bassin de Wankama. Ce suivi consiste à des mesures hebdomadaires sur la hauteur du mil, des arbustes, la récolte et mesure de la biomasse aérienne du mil et des herbacées et à la réalisation des photos hémisphériques dont le traitement permet le suivi du LAI. Photo hémisphérique sur une parcelle de Mil Suivi et maintenance de l instrumentation scientifique déployée sur Wankama sécurisation des instruments : In situ, afin de préserver les instruments d éventuels cas de vandalisme, des gardiens ont été placés au niveau des différentes stations d Eddy flux, météorologiques et les instruments de la mare Ouest. Acquisition des données et fonctionnement des stations Depuis 2011, en lien avec la tendance sécuritaire au Sahel, la gestion locale de l instrumentation scientifique déployée à Wankama est assurée par une équipe de trois agents locaux à la Représentation de l IRD au Niger. En ce sens ils assurent l acquisition des données des différentes stations de mesure et veille à la continuité du bon fonctionnement des équipements. Sur les stations d Eddy flux les centrales ont une autonomie d acquisition d environs 19 jours, c est pour cela des tournées sont effectuées une fréquence de deux semaine pour collecter les données et effectuer des contrôles sur les installations. La fréquence des visites est ramenée à une semaine en saison des pluies afin de veiller plus au bon fonctionnement des stations car en cette période où on souhaiterait éviter dans la mesure du possible des lacunes dans les données.

13 Collecte de données station d Eddy flux HFS Les données acquises subissent une batterie de traitements afin d être qualifiées pour alimenter la base de données en ligne du SO AMMA-CATCH ( ), où des jeux de données sont accessibles et téléchargeables sous certaines conditions. Quelques références pour aller plus loin Journal of Hydrology, vol. 375, 2009 (n special AMMA-CATCH) Cappelaere, B., Cycle de l eau au Sahel : de l observation à la modélisation. 112pp Velluet, C., Modélisation et analyse pluriannuelles du fonctionnement hydrologique et énergétique de deux écosystèmes dominants au Sahel agropastoral (Sud-ouest Niger) Contact à la Représentation de l IRD au Niger : Ibrahim.Mainassara@ird.fr