Possibilités d'allégement des réseaux hydrométriques dans les pays en voie de développement après réalisation de synthèses hydrologiques régionales

Transcription

1 Integrated Design of Hydrological Networks (Proceedings of the Budapest Symposium- July 1986). IAHS Publ. no. 158,1986. Possibilités d'allégement des réseaux hydrométriques dans les pays en voie de développement après réalisation de synthèses hydrologiques régionales Possibilities of reducing hydrometric networks in developing countries following a regional hydrological synthesis J.C. OLIVRY ORSTOM, 213 Rue Lafayette, Paris, France RESUME Dans les pays en voie de développement, la collecte des données hydrométriques constitue souvent une lourde charge financière pour le budget des Etats. La maintenance des réseaux pose problème dès que l'aide extérieure s'interrompt. Mais celle-ci a souvent permis l'installation et le suivi de réseaux hydrométriques pendant de longues années. Les observations permettent alors une définition précise des régimes hydrologiques du pays. Cette connaissance est directement utilisable pour les projets de développement impliquant les ressources en eau. Il est donc possible, lorsque ces synthèses hydrologiques existent, d'envisager un allégement considérable du réseau préexistant et de s'en tenir à quelques stations repères en écoulement naturel, destinées à contrôler une éventuelle dérive par rapport aux lois précédement définies. L'exemple des travaux réalisés au Cameroun montre dans un milieu diversifié les possibilités offertes par les synthèses régionales sur l'éventuelle adéquation d'un réseau aux moyens limités d'un état. Un exemple de dérive des résultats est abordé pour le fleuve Sénégal. RESEAUX HYDROMETRIQUES ET SYNTHESES HYDROLOGIQUES Dans les pays en voie de développement, la justification principale d'une collecte des données hydrométéorologiques est souvent de fournir les bases nécessaires à une utilisation rationnelle des ressources en eau. Ces données permettent en particulier la détermination des caractéristiques des aménagements hydrauliques et leur exploitation; elles supposent la mise en place de réseaux d'observations; et, notamment, de réseaux hydrométriques. L'historique de l'implantation des stations du réseau hydrométrique des pays en voie de développement traduit souvent dans une première phase cette seule nécessité de répondre aux besoins immédiats de projets d'aménagements. Mais très rapidement, l'hydrologue a pu s'affranchir de cette contrainte et procéder à l'implantation de stations pour lesquelles la collecte des données n'aura d'éventuelles applications qu'à plus long terme. Cette démarche a permis de développer des réseaux de densité minimale en évitant de graves lacunes géographiques. 329

2 330 J.C.Olivry Mais dans la plupart de ces pays, la continuité des observations, le développement des réseaux n'ont été possibles que grace aux aides extérieures - assistance bilatérale ou programmes d'organismes internationaux. Elles ont permis, ou permettent encore, la gestion de réseaux d'une densité se rapprochant autant que possible des recommandations de l'omm (1970). La caractéristique de ces aides est d'être limitée dans le temps; les programmes et leur tryptique classique "implantation-gestion-formation", prévoient des échéances à l'issue desquelles les réseaux sont pris en compte par les services nationaux. Mais les coûts de gestion constituent souvent une lourde charge pour le budget des jeunes Etats. Lorsque cet effort est consenti, les difficultés de fonctionnement (cas où les charges incompressibles de personnels constituent l'essentiel du budget) entraînent fréquemment des problèmes de fiabilité des données recueillies. De fait, telle qu'elle est conçue actuellement, la collecte des données hydromêtriques revient très cher et dépasse les possibilités de la plupart des pays, en Afrique notamment. Des que l'aide extérieure s'interrompt, les réseaux nationaux sont nombreux a péricliter. L'exploitation des réseaux suivant d'autres modalités est en train de se dessiner. L'implantation de stations automatiques avec télétransmission des données par satellite (système Argos, par exemple) en est un des aspects. Coûteux à l'installation, le système permet de réduire les dépenses de terrain et facilite le traitement de l'information... mais quelle information si les tournées de jaugeages sont négligées, si le suivi technique des appareils n'est pas garanti? C'est un outil parfaitement adapté à la prévision en temps réel sur grands bassins fluviaux mais il suppose en fait un renforcement des services hydrologiques et de leurs moyens financiers et ne peut complètement remplacer toutes les stations des réseaux. L'existence, la maintenance, le suivi d'un réseau hydrométrique ne constituent pas une fin en soi; les données n'ont d'intérêt que si elles sont exploitées. Outre leur finalité dans le développement, il est peut-être utile de souligner que le principal objectif des réseaux est de mettre en évidence les caractéristiques du régime hydrologique des bassins fluviaux ou régions étudiées. Un réseau de densité minimale, sans grave lacune spatiale, suivi sur une période d'une trentaine d'années, doit permettre d'établir des relations entre facteurs hydrologiques, facteurs climatologiques et paramètres physiques significatifs des bassins versants (géomorphologie, pente, altitude, végétation, couverture pédologique et géologique, etc.). Seul ce type d'analyse permet une extension des résultats obtenus à partir du réseau sur des cours d'eau non équipés. Cet ensemble de travaux se retrouve dans la publication de synthèses hydrologiques. Celles-ci, leurs modèles analytiques et stochastiques, leurs représentations graphiques et cartographiques suffisent dans la plupart des cas à répondre aux besoins exprimés par les projets divers d'aménagement des ressources en eaux. Le domaine d'applications pratiques des études hydrologiques repose le plus souvent sur des paramètres du type modules (valeurs moyenne, médiane, décennales), valeurs extrêmes (étiages, maximums de crue) et débits caractéristiques de diverses récurrences, variations saisonnières et interannuelles, autres termes du bilan hydrologique,

3 Allégement des réseaux hydrométriques 331 paramètres largement étudiés dans les monographies de bassins fluviaux. Lorsque ces synthèses hydrologiques existent, la poursuite d'une collecte complète des données sur le réseau hydrométrique initialement mis en place ne constitue plus une priorité fondamentale. En effet, on peut envisager alors un allégement considérable du nombre de stations et, globalement, des tâches de "gestion du réseau" d'un service hydrologique. En dehors de stations à fonction précise, gérées directement ou sur financement des aménageurs (énergie hydroélectrique, alimentation en eau, voies navigables), on peut s'en tenir à quelques stations-test ou stations repères contrôlant des cours d'eau à écoulement naturel sur des bassins versants pour lesquels on ne prévoit pas, dans l'immédiat, de modifications majeures de l'équilibre des conditions physiques du milieu. Ces stations repères - les "bench-mark stations" de W.Langbein - parfaitement connues sur le plan hydrologique et sur le plan des distributions statistiques de divers paramètres, sont destinées à contrôler une éventuelle dérive par rapport aux lois précédemment établies et donc à actualiser les résultats. Nous nous proposons de montrer dans l'exemple de travaux réalisés au Cameroun, quelques éléments du type de résultats attendus des synthèses régionales et pouvant conduire à un allégement des réseaux. Un autre exemple illustrera la dérive relevée à une station repère du fleuve Sénégal par rapport à des données publiées avant la sécheresse de ces 15 dernières années. L'EXEMPLE DES TRAVAUX EFFECTUES AU CAMEROUN Le réseau hydrométrique du Cameroun, pris en charge par les services nationaux depuis une dizaine d'années, connaît une gestion modèle sur le continent africain. Il comprenait 70 stations inégalement réparties sur le territoire national lorsque des études de synthèse ont été entreprises au début des années Ces études portent sur années d'observations. Durée et densité du réseau (une station pour 6500 km ) correspondent aux normes minimales recommandées par l'omm pour la réalisation de synthèses régionales. Le choix du Cameroun a été fait en fonction de la diversité des régimes hydrologiques rencontrés et de l'existence de travaux (Olivry, 1984) comportant une cartographie synthétique originale. Ce choix ne suppose pas que le réseau du pays doive être allégé... le réseau se développe au contraire dans le cadre initial de nombreuses études particulières, et ne doit être considéré ici qu'à titre d'exemple. Notre propos n'est pas ici d'être complet, mais de citer quelques éléments de l'analyse qui a été faite et susceptibles d'être utilisés par les aménageurs. La carte de la Fig.1 montre la distribution géographique des stations du réseau hydrométrique camerounais. Plusieurs bassins hydrographiques apparaissent comme autant d'unités géographiques avec leurs régimes hydrologiques propres et leurs aspects originaux liés au climat et â la géomorphologie. Une cartographie de l'abondance de l'écoulement annuel est proposée dans la Fig.2. Chaque bassin étudié a été schématisé sur la base de ses contours stylisés suivant deux systèmes d'axes

4 332 J.C.Olivry tac Tchad & Stution h ydrométriquo ouverte (1980) ^ Ancienne station ou localisation d'études particulières FIG.1 Situation du réseau hydrométrique camerounais. 16 perpendiculaires â 45 l'un de l'autre, en conservant autant que possible leur importance relative. Le double trait sépare les bassins indépendants, le simple trait indique la relation amont-aval de deux bassins. Ce schéma crée pour les bassins emboîtés des

5 Allégement des réseaux hydrométriques 333 FIG.2 Distribution géographique des modules spécifiques (1 s^km"" 2 ) au Cameroun. bassins intermédiaires pour lesquels l'écoulement a été calculé. Les valeurs indiquées portent sur les modules spécifiques (débits moyens annuels) interannuels. Ceux-ci passent de plus de s -1 km~ à l'ouest du Mt Cameroun, et globalement plus de 40 1 s _:L km - sur les régions côtieres et les versants arrosés des montagnes de l'ouest, à moins de 15 1 s - km sur l'ensemble du centre-sud (et même moins de 10 1 s km dans l'extrême sud-est);

6 334 J.C.Olivry les regions montagneuses de la Dorsale camerounaise et de l'adamaoua ont des modules variant de 30 à 15 1 s -1 km 2. Dans le nord, la décroissance est très rapide et on relèvera en particulier les modules inférieurs à 3 1 s -1 km~ 2 sur l'extrême nord du pays et le bassin gréseux de la Bénoué. En cartouche de la Fig.2, une carte d'isovaleurs des modules spécifiques permet de déterminer l'importance de l'écoulement en année moyenne pour tout bassin versant du pays non équipé. Ce type de carte peut être réalisé pour les autres termes du bilan hydrologique (précipitations, déficit d'écoulement). Il y a une très bonne concordance dans le cas des lames précipitées et la carte des isohyètes obtenue à partir des postes pluviométriques. L'étude a montré d'évidence que les régimes hydrologiques étaient calqués sur les régimes pluviométriques; abondance, variabilité saisonnière et même l'irrégularité interannuelle sont intimement liées. Il était donc tentant de rechercher une relation globale pour le Cameroun. La mise en régression de l'échantillon (P - He) doit bien entendu être considéré avec prudence du fait des tailles variables des bassins et de leur répartition inégale. Une simple régression linéaire, sans anamorphose des variables, paraît la mieux appropriée. Son équation s'écrit: He = P (P et He en mm) le coefficient de corrélation est de ; mais cette relation ne doit pas faire illusion car elle sous-estime nettement l'écoulement des zones tropicales pures et surestime celui de la bande équatoriale du bassin de la Sangha. Elle paraît cependant vérifiée pour les zones à précipitations supérieures â 1500 mm de la Sanaga, et du climat tropical de transition, ou des fleuves côtiers. On ne peut cependant pas parler de relation unique entre l'écoulement et les précipitations sans faire intervenir d'autres facteurs tels que la taille des bassins, la répartition des pluies dans l'année ou l'altitude, facteurs dont l'ajustement n'est pas toujours aisé. En tout état de cause, on gagnera à se reporter aux relations régionales qui ont pu être établies. C'est en particulier le cas des fleuves côtiers du Cameroun qui concernent tout de même km, soit le quart de la superficie du pays. La Fig.3 montre une relation étroite entre la hauteur de précipitations interannuelle reçue par le bassin et le module spécifique moyen (ou la lame écoulée). La très faible dispersion justifie que cette relation soit utilisée pour déterminer les modules de bassins non équipés sous forêt humide de manière complémentaire à la détermination cartographique (Fig.2). Pour le nord du pays, qui représente km, la relation entre précipitations et écoulements est plus dispersée; la longueur du rectangle équivalent du bassin versant constitue un facteur secondaire explicatif très satisfaisant comme le montre la Fig.4; seule la Mbéré échappe au modèle par sa position déjà plus méridionale par rapport aux régimes du nord de l'adamaoua. Parmi les paramètres traduisant l'irrégularité interannuelle de l'écoulement, la coefficient K3 est couramment utilisé; il correspond au rapport des modules de fréquences décennale sèche et humide. L'intérêt d'une cartographie du coefficent K3, telle qu'

7 Allégement des réseaux hydrométriques s Km 2 MODULES SPECIFIQUES ET PRECIPITATIONS ANNUELLES *A /Sonja He mm SOOO.2500 / Mungo /CLobt /Wouri.1000 Lokoundje-x 10. ^* v x Nyong 1,5 4,5 s I K«V. FIG.3 Relation écoulement-précipitations pour les fleuves côtiers Ponnu on m elle est proposée dans la Fig.5, est évident. Module moyen et K3 permettent une détermination des modules décennaux à l'approximation près des déviations entre distributions normales et distributions hyper-parfois hypo-gaussiques. Pour ce qui est du Cameroun, la Fig.5 montre que l'irrégularité interannuelle est plus forte dans la zone équatoriale et côtière que dans la zone à climat tropical humide de transition. Cette dernière zone, située entre 4 et 6 N au centre du pays (bassin de la Sanaga) montre les plus faibles coefficients K3 observés au Cameroun. Le schéma latitudinal voudrait que l'on observe une augmentation de la variabilité de l'écoulement des régions équatoriales aux régions sahéliennes. Cette croissance zonale n'est en fait observée vers le nord qu'à partir du parrallèle 6 N. L'irrégularité interannuelle augmente très vite au nord de Garoua et K3 dépasse 10 à la latitude de Ndj amena. En définitive, sur le simple examen de l'écoulement annuel le Cameroun présente deux zones principales bien distinctes: - L'une, au nord de l'adamaoua, est caractérisée par des écoulements diminuant fortement en latitude avec les précipitations et une irrégularité interannuelle augmentant rapidement avec la latitude. - L'autre, plus complexe, comprend l'adamaoua et les régions du Cameroun situées au sud et correspond au Cameroun humide. On peut distinguer une zone côtière et d'altitude de l'ouest pour laquelle les écoulements sont directement dépendant des précipitations. A l'intérieur du pays, on sépare nettement les régions situées entre

8 336 J.C.Olivry H léîjfo Ou du r cts^rt l# éqttivatent î /s.km "& Mbéré / / ^ 1500 Myo Ou/o / * / BIAO (0 Bénoué Riao / Après Corroctior Bénoue Garoua Hauteurs de précipitations FIG.4 Relation écoulement-précipitations et facteur correctif: (a) modules et précipitations; (b) correction des écarts; (c) courbe (a) après correction. (Nord du Cameroun.)

9 Allégement des réseaux hydrométriques 337 FIG.5 Irrégularité interannuelle des modules (distribution spatiale du K3). les parrallèles 4 et 7 30' aux écoulements relativement abondants à l'irrégularité interannuelle faible, des régions situées au sud en milieu equatorial aux écoulements plus faibles et à une plus forte irrégularité interannuelle (Fig.6). Bien évidemment, au delà des estimations qui auront pu être faites sur ces premiers éléments d'analyse de l'écoulement annuel pour des cours d'eau non suivis par le réseau hydrométrique, l'utilisateur gagnera dans la précision en se penchant sur le détail régional des études effectuées et en particulier sur les distributions statistiques et la variabilité saisonnière. Les valeurs extrêmes constituent aussi des paramètres importants dans les projets d'aménagement. Pour ce qui est des étiages absolus, une synthèse cartographique peut être utilisée avec quelques précautions d'emploi sur la taille des bassins versants (supérieure à km 2 ), sur un substratum et une morphologie (incision du chevelu hydrographique) comparables à ceux des bassins voisins suivis par le réseau de mesures. Les valeurs spécifiques des étiages absolus moyens ont été reportées sur la carte de la Fig.7. La plus ou moins grande abondance des étiages dépend du poids de divers paramètres. L'abondance des précipitations est en particulier déterminante; la répartition des pluies, avec des saisons sèches plus ou moins courtes, joue aussi son rôle, en particulier pour le bassin de la Sangha où les étiages soutenus correspondent aux courts épisodes secs du climat equatorial mais aussi a l'effet régulateur de la grande forêt. Enfin, le substratum géologique, en

10 338 J.C.Olivry Nord CAMEROUN BASSINS DE DOUALA ET CROSS CHARI LOGON E BÊNOVE FARO KÉBI SAHELIEN TROPICAL SEC TROPICAL PUR Sud CAMEROUN EQUATORIAL COTIER, DE MONTAGNE <2> Û 7 30' SANAGA Cuvotte congolaise SANGHA NGOKO ff«uv«côtkfr» TROPICAL HUMIDE DE TRANSITION EQUATORIAL FIG.6 Abondance de l'écoulement (en noir) et variabilité interannuelle (en blanc) comparées dans les différentes régions du Cameroun. déterminant des aquifères plus ou moins riches joue aussi un rôle important, en particulier pour les zones volcaniques assurant des réserves notables tant dans la Dorsale camerounaise que sur l'adamaoua pour les bassins de la Vina-Sud et de la Bini. Une esquisse des zones à étiages spécifiques déterminés est proposée en cartouche de la Fig.7. Au nord de 1'Adamaoua,_les étiages absolus diminuent très rapidement passant de 1 1 s -1 km~ 2 à 0 pour les bassins moyens (les cours d'eau issus de régions plus méridionales conservent un léger écoulement). Les bassins côtiers des provinces de l'ouest ont bien évidemment les étiages les plus soutenus puisque la saison sèche est souvent inexistante, en tous cas très courte, que les précipitations annuelles sont très élevées et que le substratum basaltique peut constituer d'importants aquifères. Sur le centre du pays, au sud de l'adamaoua, la conjonction des facteurs cités dans le sens inverse (précipitations plus faibles, saison sèche prononcée, mauvais aquifères du socle cristallin) aboutit à des étiages relativement bien marqués. Une recherche globale sur les maximums de crue des bassins étudiés au Cameroun ne peut être abordée dans une approche cartographique immédiate du fait que les valeurs spécifiques sont ellesmêmes, dépendantes de la superficie des bassins. Les valeurs spécifiques médianes des maximums de crue ont été étudiées en fonction de la superficie des bassins. Les principales unités hydrologiques ont été différenciées. On a mis en évidence des crues de plus forte puissance pour les régions du Nord-Cameroun et aussi les régions très arrosées de la côte et des provinces de l'ouest. A l'opposé, les crues de plus faible puissance sont observées dans les zones de forêt (effet "tampon" de l'interception

11 Allégement des réseaux hydrométriques 339 FIG.7 Les étiages absolus spécifiques (1 s 1 km 2 ) au Cameroun. du couvert végétal) ou les précipitations sont modérées (Nyong, Ntem, bassin de la Sangha). Entre les deux, précipitations modérées passage progressif de la forêt dense aux savanes arborées conduisent

12 340 J.C.Olivry à observer des crues de puissance intermédiaire principalement sur le bassin de la Sanaga. Des relations régionales entre crues médiane et décennale, d'une part, superficie des bassins, éventuellement des facteurs secondaires, d'autre part, peuvent être utilisés par le projeteur sous réserve, encore une fois, que le bassin considéré ne diffère pas trop de la morphologie générale des bassins étudiés. La présentation disparate d'un échantillon de paramètres utiles aux aménageurs peut s'arrêter ici sur les quelques exemples proposés. Elle aurait pu être complétée par l'étude des débits caractéristiques (défaillances), des coefficients de tarissement, des rapports crue centennale/crue décennale et autres éléments obtenus, en particulier, à partir des analyses statistiques. Les "ressources utiles" des synthèses et monographies hydrologiques concernent souvent un champ d'analyse plus vaste que celui qui a été abordé en quelques pages ici. Dans le cas évoqué du Cameroun, la synthèse effectuée pourrait permettre un allégement du réseau; celui-ci pourrait théoriquement se réduire à quelques stations repères - 1, 2 ou 3 - par zone type définie dans la Fig.6. UN EXEMPLE DE DERIVE DES RESULTATS SUR LE FLEUVE SENEGAL Il est évident que les travaux de synthèses dont nous parlons ne constituent qu'un constat, celui que l'hydrologue peut faire à un instant donné sur la base des observations dont il dispose. Plus tard, les résultats devront être actualisés, même s'il n'y a pas remise en cause des mécanismes climatiques et hydrologiques; c'est la fonction que nous donnons aux stations repères. A l'actualisation prés des valeurs numériques, nous supposons une permanence dans la définition des régimes hydrologiques. Cette hypothèse d'une validité durable des résultats sous-tend la démarche proposée dans cette note, mais ouvre de fait un débat. Nous avons choisi de tester ici un exemple de dérive particulièrement marquée des résultats obtenus sur le fleuve Sénégal. Le bassin du fleuve Sénégal a fait l'objet d'une monographie hydrologique portant sur des observations effectuées de 1903 à 1965 pour les séries les plus longues (Rochette, 1974). Les résultats proposés datent donc d'une vingtaine d'années, 20 ans pendant lesquels on a observé 15 années de sécheresse exceptionnelle. Les principales stations du réseau du bassin sont toujours en exploitation. La station de Bakel peut être évoquée ici comme station de base et à partir de cette station nous avons cherché à actualiser les données produites pour un affluent du Sénégal, la Falémé, contrôlé à Kidira, comme si les observations avaient cessé à cette station depuis 1965; nous avons ensuite comparé ces résultats à l'actualisation des données de la Falémé sur la base de réelles observations. Le Tableau 1 donne ces résultats pour les modules de différentes fréquences de retour. Les écarts entre valeurs observées et les valeurs reconstituées par la méthodologie proposée sont dans 1' ensemble assez faibles, avec une exception pour le module centennal. On peut penser que ces bons résultats tiennent pour beaucoup à la taille importante de l'échantillon initial. En fait, en ramenant les données à une période plus courte, on aboutit à des résultats

13 Allégement des réseaux hydrométriques 341 TABLEAU 1 Kidira Modules du fleuve Sénégal à Bakel et de la Falémé à Modules Sénégal à Bakel Falémé à Kidira ( m3 s-l) _ Monographie Dérivé 3 Monog: raphie K x monographie " Moyéîine Médiane Ecart-type Années sèches F = 0.1 F = 0.05 F = 0.02 F = 0.01 Années humides F = 0.1 F = , z et 3 A partir de données d'observations du Sénégal à Bakel. Avec reconstitution des données avant Dérive de Bakel x valeur de ". Modules sur la période d'observation Ecart en % de 5 par rapport à n xobserv Ecart 7 (%) tout à fait satisfaisants pour ce qui est des modules interannuels. Ainsi, pour la période , on a respectivement 898 et 220 n^s" 1 et pour la période , 684 et 166 m^" 1 pour Bakel et Kidira, Cela donne pour Bakel un coefficient de dérive de qui aboutirait à reconstituer à Kidira un module de 168 m s, soit à 1% de la valeur observée. Ces quelques résultats vont dans le sens d'une justification des propositions faites dans cette note. CONCLUSIONS Si nous avons voulu montrer dans cette note que l'information recueillie sur quelques stations repères suffit le plus souvent à remplacer celle d'un réseau complet préexistant pour actualiser la connaissance des régimes hydrologiques des fleuves et rivières d'un pays, nous n'entendons pas justifier, pour autant, une démobilisation des services hydrologiques. Ceux-ci, au contraire, doivent reporter leurs efforts sur une gestion sans faille des stations repères et, en fonction de leurs moyens, sur un suivi allégé des stations de l'ancien réseau (étiages, maximums) suivant des modalités proposées par d'autres auteurs (Rodier, 1985) ou encore à définir. Au niveau de l'aide extérieure, la réalisation de synthèse hydrologiques nationales et régionales doit constituer une priorité dans les pays en voie de développement. C'est le développement qui créera les besoins d'une approche plus précise des paramètres hydrologiques; ce même développement supposera alors que les moyens adéquats soient mis en oeuvre dans une recherche approfondie. En attendant d'avoir les moyens de son ambition, il paraît urgent de valoriser au maximum, partout où cela est possible, les données recueillies dans les réseaux hydrométriques.

14 342 J.C.Olivry REFERENCES Olivry, J.C. (1984) Regimes hydrologiques des fleuves et rivières du Cameroun. Thèse Doctorat d'etat, USTL Montpellier. OMM (1970) Guides des Pratiques Hydrométriques. OMM no,168. TP 82, Geneve. Rochette, C. (1974) Le Bassin du Fleuve Sénégal. Monographies hydrologiques 0RST0M, Paris. Rodier, J.A. (1985) Problèmes d'efficacité des réseaux hydrologiques. Communication inédite.