PROJETS DETAILLES

     
L'évaporation pendant la saison humide au sein d'un sol sableux de la région de Niamey

Modélisation hydrologique sur le super site central est d'Hapex Sahel

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Résumé : Afin d'évaluer l'évaporation de l'eau à proximité de Niamey, on utilise sondes TDR et des tensiomètres à mercure. On détermine ainsi les teneurs en eau et le potentiel total d'eau. Ces mesures concluent à l'évaporation quotidienne 1 à 2mm d'eau. Le flux évaporatoire à l'origine de ce phénomène atteint 35 cm de profondeur.

Présentation de l'étude :

POSITION DU PROBLEME :
On s'intéresse ici aux sols sableux car ils représentent 75% de la superficie des territoires du pays. Etant donnée la pauvreté minérale et nutritionnelle du sable, on ne peut faire accroître son intérêt qu'en agissant sur la quantité d'eau qu'il est capable d'absorber. D'autre part, et vue la facilité qu'à l'eau à s'en évaporer, on se propose ici d'essayer de prendre plus ample connaissance de l'évaporation au sein de ce sol. Afin d'optimiser la pénétration des eaux de pluie dans le sable, on procède à un sarclage. Cette opération a pour but de casser les croûtes formées en surface, et à supprimer la végétation sauvage née des pluies et dont la consommation en eau empiète sur celle de la culture utile. Dans notre étude, on adoptera la méthode des profils de teneurs en eau et potentiels en eau. Mais celle-ci implique de connaître dans quelle mesure l'évaporation atteint les sols et sarclés ou encroûtés. Ceci constituera un but intermédiaire, il permettra d'en venir à l'objectif final : le comportement de l'évaporation vis-à-vis du sarclage.

SITE GEOGRAPHIQUE RETENU :
Le site de notre étude est un village situé à prés de 65 kms de Niamey, où le climat est aride et sec. On doit s'accommoder de 3 mois de pluie seulement, le reste de l'année ne voit en général aucune précipitation. La région est également caractérisée par une très forte évapotranspiration : en moyenne, son taux annuel atteint quatre fois les précipitations environ. On se place dans un des plateaux de la région, où le sol est entièrement recouvert de sable. Le terrain étant légèrement pentu ( 2 % ), il est sujet à l'érosion pendant les période estivale. Dans le sol encroûté non sarclé, une couche érodée de 1mm constitue la surface. A l'inverse, pour les sols sarclés, des particules anguleuses difformes augmentent la porosité du sable en surface, celui-ci admet donc plus d'eau.

METHODE :
On procède de la manière suivante : on sélectionne deux autres endroits (l'un sarclé et l'autre encroûté), à différents instants et profondeurs, on mesure la chute de la teneur en eau et de la charge hydraulique. On en déduit la variation du contenu en eau du sable. Par une simple équation de bilan, on détermine alors :
le potentiel Z de l'eau en fonction de la profondeur. A une profondeur donnée, les tensiomètres à mercure sont installés dans des trous verticaux forcés par une tarière. Du potentiel total en eau, on obtiendra la profondeur maximale atteinte par le flux évaporatoire, comme étant la cote qui rend Z maximal.
teneur en eau en fonction de la profondeur. Se mesure en utilisant une sonde TDR. On en place deux identiques, pour lesquelles des courbes d'étalonnage ont été dressées à partir de mesures sur des échantillons. D'autres grandeurs sont également mesurées :la densité apparente, les teneurs en argile, en limon, en sable, et en carbone. Il ressort que si la teneur en eau est de 13% à fleur de peau, elle n'est plus qu'à 6% à 1m20 de profondeur.

CONDITIONS METEOROLOGIQUES DE L'EXPERIMENTATION :
Les expériences ont été menées en juillet 1993. Plusieurs mesures sont prises ponctuellement, à plusieurs jours d'écart pendant ce mois de façon à les faire coïncider avec les pluies. La quantité d'eau tombée varie entre 10mm et 30mm par jour. Les résultats obtenus concernent la période consécutive aux pluies.

Résultats : L'interprétation des profils hydriques et potentiels conduit aux résultats suivants : On examine tout d'abord les effets de la première averse, se produisant le 8 juillet 1993.
Que ce soit pour le sol sarclé ou encroûté, la première averse de juillet amène la teneur surfacique en eau à 13% à 5cm de la surface. Il suffira d'une semaine pour qu'elle perde 5% de sa valeur, tandis qu'à 35cm du sol, cette teneur ne baissera que de 1%. Le lendemain même de l'averse, le flux évaporatoire atteint déjà des profondeurs de 5cm.
5 jours après la pluie, les profondeurs de 34cm du sol sont subissent l'évaporation, alors que seuls les 27 premiers centimètres sont concernés dans le cas du sol sarclé.
Dans les deux cas, les quantités d'eau stockées dans la terre sont voisines.
L'évaporation survient plus rapidement dans le sol sarclé que dans le sol encroûté.
Le sol sarclé se caractérise par une vitesse d'évaporation plus grande que celle du sol encroûté dans la période du début de l'assèchement.

La deuxième partie des résultats concerne la quantité d'eau évaporée : Dans les cinq jours consécutifs à la tombée des eaux, 5.5mm d'eau se sont évaporés dans le sol sarclé contre seulement 4mm pour le sol non sarclé.

Conclusion : La période estivale au Niger dure 2 mois. On gère les problèmes d'eau par drainage, mais le sol est également largement affecté par l'évaporation. A la suite des pluies, on procède souvent au sarclage, détruisant les agrégats et croûtes formés dans le sable, dans le but de le rendre plus poreux en surface. Le flux évaporatoire atteint 34cm dans le cas de sol encroûté et s'arrête à 27cms si on procède au sarclage. La lame d'eau évaporée est de 1 à 2mm. Il est très intéressant de noter ceci : que le sol soit sarclé ou non, le stock d'eau, la teneur surfacique en eau, la profondeur du flux évaporatoire et la quantité d'eau évaporée sont sensiblement voisins. La seule différence à noter est aux lendemain des pluies : le sol encroûté économise 1mm d'eau par rapport au sol travaillé.

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Objectif :Lancement d'un code sur de petits bassins versants de l'Hapex-Sahel en vue de l'estimation de certains échanges et flux intéressants. Test de l'efficacité de ce modèle dans le cas des territoires asséchés de la région.

Résumé : Des transferts et flux de surface entre divers bassins versants et lits d'eau, on utilise un code de calcul, dont on souhaite par ailleurs savoir tester les compétences dans cette zone. Les caractéristiques des bassins sont évaluées séparément, en utilisant des crues enregistrées à l'échelle de deux parcelles de ruissellement.

Méthode : Dans les discrétisations des codes actuels modélisant le Sahel, la taille des mailles utilisées sont telles que le ruissellement de surface est négligé devant l'évaporation. Mais on peut être amené à réduire la taille des ces mailles (pour des raisons de précisions par exemple). Alors, le phénomène de ruissellement prend de l'importance. Les trajectoires empruntées par l'eau lors de son ruissellement, au niveau du versant, sont encore mal connues Le but de ce projet est d'utiliser des mesures de terrain pour déterminer la proportion d'eau de pluie qui ruisselle (alimente l'eau stagnante directement) et celle qui pénètre dans le cours d'eau (conduit au fond du bassin pour remonter ensuite). On utilisera un modèle hydrologique à des échelles de plus en plus importantes.
On recueille des données au cours de 1992 et 1993, sur le bassin de Banizoumbou. Le ruissellement se produit précisément sur les bord du plateau que l'on rencontre en parcourant le versant. On constate que de l'eau s'infiltre et s'accumule dans la ravine.

Les parcelles de ruissellement sont des chemins rectangulaires, s'étendant sur plusieurs mètres. On les équipes d'instruments de mesures pour y quantifier les volumes d'eau acheminés par ruissellement et les crues.
On note des crues sur 3 petits bassins versants avoisinants. On dispose de l'hyétograme de l'averse correspondante à chacune d'entre elles, et les signaux laissés dans les hydrogrammes des parcelles. L'état hydrique du sol est estimé à l'origine puis mesuré à la suite de l'averse via son humidité.
La modèle à notre actif est WATCH. Le ruissellement est le principal moyen d'alimentation des bassins versants. L'eau emprunte dans son trajet des canaux que l'on divise en biefs rectilignes alimentés par les plans, pour les inclure dans le code. Celui-ci simule l'acheminement de l'eau à travers les canaux, son mouvement dans les canaux, son infiltration dans le sol, et son transfert vers l'exutoire.

LOIS PHYSIQUES DE LA MODELISATION:
Description de la méthode et modélisation du problème :
Les entrés du système sont l'humidité à saturation, résiduelle, initiale, conductivité hydraulique à saturation et la pression capillaire au front d'infiltration maximale. La loi retenue sera celle de Green et Ampt. On modélise le mouvement de l'eau en s'appuyant sur la théorie des ondes cinématiques et la méthode des caractéristiques.
Chaque bief est considéré comme un réservoir linéaire, dont la section est fidèle aux transcriptions expérimentales. Le frottement au fond est décrit par les lois de Manning. On lancera les simulations sur des pas de temps de 1 minute, ce qui donnera des mesures assez fines.

MODELISATION A L'ECHELLE DES BASSINS VERSANTS :
On assimilera les bassins versants à des parcelles de ruissellement. On simulera les crues enregistrées dans les trois stations. Il est à noter qu'obtenir des mesures de ruissellement est très difficile sur certaines surfaces, c'est pourquoi, on fera des hypothèses quelque peu abusives sur le plateau. De plus, le code utilisé n'est pas très adapté pour notre cas. Il ne permettra pas reconstituer les crues. Par contre, il est capable de fournir la production des bassins versants, et l'eau perdue vers l'exutoire. On déduira ainsi la quantité d'eau qui à été infiltrée. On a donc eu recours à des considérations assez grossières. On n'attendra en final que des résultats approximatifs, autant sur les précipitations que sur la quantité d'eau acheminée vers l'exutoire. La première sera facile à comparer à sa valeur réelle, puisqu'on dispose de la base de données pluviométrique. Pour vérifier la seconde, on cherchera à déterminer la vitesse d'infiltration moyenne de l'eau dans le sol. On adoptera pour cela la démarche suivante : On néglige la couche fine de sable déposée au fond de la ravine.
On approxime la conductivité hydraulique à saturation du sol sous la ravine à celle des bassins versants que l'on mesure. Le volume d'eau perdu est le volume infiltré (estimé plus haut) augmenté du volume acheminé vers l'exutoire fourni par le code. La vitesse d'infiltration est alors calculée en divisant ce volume d'eau par la durée de la crue. On jugera ensuite de la validité de l'eau exitée selon la validité de l'ordre de grandeur de la vitesse d'infiltration .

Résultats : L'infiltration simulée sous-estime la pluie tombée qui produit effectivement le ruissellement de moitié environ. Selon le même code, 30% de cette pluie se retrouve guidée vers l'exutoire. Les résultats relatifs à la vitesse d'infiltration sont pour les trois bassins: 5.15cm/h , 6.05cm/h , et 4.00cm/h.

Conclusion : Grâce au modèle SWATCH, on a pu simulé et représenter les crues en incluant les parcelles de ruissellement sur lesquelles elle avaient lieu. Mais il ressort que les grosses crues sont surestimées. Une modélisation grossière des bassins versants a également été mise en œuvre, pour simuler les pluies produisant le ruissellement et la quantité d'eau perdue pour la ravine du bassin versant, soit par infiltration, soit par l'exutoire. Il ressort que seules 45% des pluies ont été prédites alors que 25% s'infiltre et que le reste est perdu par l'exutoire.

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