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Rapports sur l'eau/Water Reports

ISSN 1020-6523

16

, , ,

TELEDETECTION ETRESSOURCES EN EAU

REMOTE SENSINGAND WATER RESOURCES

Actes de l'atelier internationaltenu à Montpellier, France

du 30 novembre au 1er décembre 1995

Praceedings of the international workshopheld in Montpellier, France

fram 30 November to 1 December 1995

ORGANISATION DES NATIONS UNIES POUR L'ALIMENTATION ET L'AGRICULTUREFOOD AND AGRICULTURE ORGANIZATION OF THE UNITED NATIONS

Rome, 1997

Les appellations employées dans cette publication et laprésentationdes données qui y figurent n'impliquent de la part de l'Organisationdes Nations Unies pour l'alimentation et l'agriculture aucune prisede position quant au statut juridique des pays, territoires, villes ouzones, ou de leurs autorités, ni quant au tracé de leurs frontièresou limites.

The designations employed and the presentation of mate rial in thispublication do not imply the expression of any opinion whatsoeveron the part of the Food and Agriculture Organization of the UnitedNations concerning the legal status of any country, territory, city orarea or of its authorities, or concerning the delimitation of itsfrontiers or boundaries.

M-54ISBN 92-5-004070-9

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Ali rights reserved. No part of this publication may be reproduced, stored in aretrieval system, or transmitted in any form or by any means, electronic,mechanical, photocopying or otherwise, without the prior permission of thecopyright owner. Applications for such permission, with a statement of thepurpose and extent of the reproduction, should be addressed to the Director,Information Division, Foodand Agriculture Organization ofthe United Nations, Vialedelle Terme di Caracalla, 00100 Rome, Italy.

© FAO 1997

Préface

A la suite d’une étude financée par la FAO et réalisée conjointement par le Comité interafricaind’études hydrauliques (CIEH), le Laboratoire commun de télédétection Cemagref-Engref et leLaboratoire d’hydrologie de l’Orstom, il a paru opportun de valoriser les approches liées àl’utilisation de la télédétection et des systèmes d’information géographique dans l’évaluation et lagestion des ressources en eau.

C’est dans cette optique qu’un atelier international a été organisé à Montpellier en décembre1995. Son but était de faire le point sur les techniques et méthodes opérationnelles d’utilisation dela télédétection pour l’évaluation et la gestion des ressources en eaux. L’accent a été mis surl’hydrologie de surface et sur des exemples d’application pratique de ces méthodes. L’atelier s’estintéressé tout particulièrement aux problèmes des pays arides et semi-arides en développementpour lesquels ces techniques peuvent représenter un atout important.

L’atelier a regroupé des experts venus de dix pays et des chercheurs et étudiants en hydrologiedes Universités de Montpellier et Toulouse. Au total, l’atelier a compté une centaine departicipants. Les conclusions présentées dans la synthèse ont pour objectifs de clarifier l’apportdes techniques de télédétection pour l’évaluation et la gestion des ressources en eaux, d’identifierles contraintes et potentialités des méthodes existantes et de proposer des orientations pour larecherche et pour la diffusion des techniques.

Preface

This workshop originated from a study sponsored by FAO and executed jointly by the Comitéinterafricain d’études hydrauliques (CIEH), the Laboratoire commun de télédétection Cemagref-Engref (LCT) and Orstom (Institut français de recherche en coopération). The study investigatedthe potential use of remote sensing and geographic information systems in water resourcesassessment of small watersheds in semi-arid areas of West Africa.

This workshop was organized with the objective of reviewing the state of the art in the use ofremote sensing for water resources assessment and management with special reference tooperational techniques. Emphasis was placed on surface hydrology, with applications for arid andsemi-arid areas in developing countries for which such techniques are believed to be of particularrelevance.

The workshop gathered experts from ten countries, as well as researchers and students fromMontpellier and Toulouse. In total, there were one hundred participants. The conclusionspresented in the summary are intended to clarify the state of the art in application of remotesensing for water resources, to identify current constraints and potential of existing techniquesand to suggest avenues for further research and more efficient technology transfer.

iv

Remerciements

L’atelier international sur l’application de la télédétection dans le domaine des ressources en eauxa été organisé par le Cemagref et l’Orstom sur la base d’un financement de la Division de la miseen valeur des terres et des eaux de la FAO.

Un Comité technique et scientifique s’est chargé de la préparation de l’atelier, ainsi que de larévision des contributions et de la finalisation du présent document. Il était composé despersonnes suivantes:

C. Puech, Laboratoire commun de télédétection Cemagref-Engref, MontpellierJ.M. Lamachère, Laboratoire d’hydrologie, Orstom, MontpellierP. Pallas, Division de la mise en valeur des terres et des eaux, FAO, RomeJ.M. Faurès, Division de la mise en valeur des terres et des eaux, FAO, RomeJ. Finch, Institute of Hydrology, Wallingford, UKJ.M. Grésillon, Université de Bordeaux, France

C. Puech et J.M. Lamachère étaient également responsables de l’organisation de l’atelier. Ils sontici remerciés pour les excellentes conditions dans lesquelles s’est déroulé l’atelier.

Acknowledgements

The International Workshop on Remote Sensing Applications in the Field of Water Resourceswas jointly organized by Cemagref and Orstom and financed by the Land and WaterDevelopment Division of FAO.

A technical and scientific committee was in charge of the preparation of the Workshop and of therevision of papers and finalization of the present publication.. It was composed as follows:

C. Puech, Laboratoire commun de télédétection Cemagref-Engref, MontpellierJ.M. Lamachère, Laboratoire d’hydrologie, Orstom, MontpellierP. Pallas, Land and Water Development Division, FAO, RomeJ.M. Faurès, Land and Water Development Division, FAO, RomeJ. Finch, Institute of Hydrology, Wallingford, UKJ.M. Grésillon, Université de Bordeaux, France

C. Puech and J.M. Lamachère were also in charge of the overall organization of the Workshop.Thanks are due to them for the excellent conditions under which the Workshop took place.

Télédétection et ressources en eau/Remote sensing and water resources v

Table des matières

Table of contents

page

PRÉFACE/PREFACE iiiRÉMERCIEMENTS/ACKNOWLEDGEMENTS iv

SYNTHÈSE DE L’ATELIER 1SUMMARY OF THE WORKSHOP 15

SESSION 1 TÉLÉDÉTECTION ET MODÉLISATION HYDROLOGIQUE

REMOTE SENSING AND HYDROLOGIC MODELLING 27

Les observations au sol Jean-Marie Lamachère et Christian Puech 29

Cartographie des états de surface Jean-Marie Lamachère et Christian Puech 45

Modélisation hydrologique Jean-Marie Lamachère et Christian Puech 69

SESSION 2 GESTION DES RESSOURCES EN EAU/WATER MANAGEMENT 85

APPROCHE RÉGIONALE/REGIONAL APPROACH 87

Gestion intégrée des zones humides en milieu tropical Marc Lointier 89

Evaluation régionale des ressources en eau au moyen d’un système d’informationgéographique : le cas du bassin du Niger Jean-Marc Faurès 103

Assessment of irrigation potential in Africa Mathieu Bousquet, Jean-Marc Faurès,Karen Frenken and Luc Verelst 115

Evaluation des ressources en eau dans le socle par l’étude des fractures à l’aidedes données Landsat (bassin d’Odienné, Côte d’Ivoire) Issiaka Savane,Bénié Goze et Jean Biemi 127

La télédétection comme moyen d’appui à la planification des ressources en eau(cas du Sud-Ouest du Burkina Faso) Karim Traoré 137

Unités de paysage pour l’hydrologie au Nord du Mexique Jean-Yves Loyer,Stéphanie Moriaud et Luc Descroix 147

APPROCHE LOCALE/LOCAL APPROACH 163

De l’aérien au satellite : estimation des ressources en eau Christian Puech et Joël Carette 165

Assessing water harvesting suitability Eric Patrick 175

vi

page

De la télédétection à la gestion d’un cadastre irrigation dans la vallée du fleuveSénégal A. Killmayer 195

Positionnement, productivité et gestion des forages en milieu fissuré de Côte d’Ivoirepar télédétection et système d’information géographique J. Biemi J.P.Jourda,S. Deslandes et H. Gwyn 207

Apport de la télédétection dans la mobilisation des ressources en eaux de surfaceet la gestion du secteur irrigué Lamine Aouni 223

SESSION 3 MODÉLISATION HYDROLOGIQUE ET DÉTERMINATION DE PARAMÈTRES

HYDROLOGICAL MODELLING AND DETERMINATION OF PARAMETERS 233

CARACTÉRISTIQUES HYDROLOGIQUES DES SOLS

SOIL HYDROLOGICAL CHARACTERISTICS 235

Description et cartographie des états de surface d’un petit bassin versant soudano-sahélien François Guillet 237

Hydrological analysis of two sub-catchments of the Mareb River (Eritrea)Roberto Colombo and P. Sarfatti 251

Rôle de la télédétection dans l’évaluation et la cartographie des épandages artificielsdes crues dans les hautes steppes tunisiennes Abdelkarim Daoud et Jean Trautmann 261

Apports des modèles numériques de terrain à la modelisation hydrologiqueM. Bergaoui et H. Camus 275

Apport de la télédétection à l’étude des zones contributives aux écoulementsPascal Vine 287

BILAN HYDRIQUE/WATER BALANCE 303

Models for determining evapotranspiration E. Hurtado, M.M. Artiago and V. Caselles 305

Reconstitution de chroniques de données hydrologiques anciennes par télédétectionAbdou Ousmane 311

Estimation of real evapotranspiration A. Chehbouni, J. Qi, D. Lo Seen, Y.H. Kerr,G. Dedieu, S. Moran, M. Daubas and B.M. Monteny 319

Télédétection et prévision des crues : l’exemple du fleuve GambieSoussou Sambou et Jean-Pierre Lamagat 331

Estimation des crues des petits bassins africains : réflexion sur l’utilisationde la télédétection J.M. Grésillon 341

Télédétection et modélisation hydrologique : quelle vision, quelle échelle,quels processus ? Christian Puech 353

Télédétection spatiale et modélisation du fonctionnement hydrologique despetits bassins versants. I. Problématique de la modélisation Philippe Gineste 367

Télédétection et ressources en eau/Remote sensing and water resources vii

page

Télédétection spatiale et modélisation du fonctionnement hydrologique despetits bassins versants. II. Etat de l’art du couplage et perspectivesdes hyperfréquences Philippe Gineste 379

Modélisation hydrologique de petits bassins versants ruraux sahéliens : apportde la télédétection et des systèmes d’information géographiques pourla détermination des paramètres A. Nonguierma et S. Dautrebande 395

Application du modèle GRASS/ANSWERS à la modélisation hydrologique d’un petitbassin versant d’Afrique de l’Ouest Pascal Perez, Damien Urvoix etMichel Arnaud 405

MHM : le modèls hydrologique maillé A. El Idrissi et E. Persoons 419

ANNEXE 1 PROGRAMME 431

ANNEXE 2 LISTE DES PARTICIPANTS/LIST OF PARTICIPANTS 435

viii

Abréviations et acronymesAbbreviations and acronyms

ANSWERS : Areal Nonpoint Source Watershed Environmental Response Simulation

CEMAGREF Institut de recherche pour l’ingéniérie de l’agriculture et del’environnement (ancien Centre national du machinisme agricole, dugénie rural, des eaux et forêts)

CIEH Comité interafricain d’études hydrauliques

DEM: Digital Elevation Model (also known as DTM: Digital Terrain Model)

DEMIURGE: Digital Elevation Model In URGEncy (ORSTOM)

ERS : European Remote Sensing Satellite

ETo : Evapotranspiration potentielle

ETR : Evapotranspiration réelle

GHM : Grid Hydrological Model

GIS: Geographic information system

GRASS : Geographical Resources Analysis Support System

LANDSAT-TM: ERTS (Earth Resources Technology Satellites) renamed in LANDSATin 1975; TM, Thematic Mapper Sensor

LCT Laboratoire commun de télédétection CEMAGREF-ENGREF

MHM : Modele hydrologique maillé

MNT : Modèle numérique de terrain -

NOAA : National Oceanographic and Atmospheric Administration

ORSTOM: L’institut francais de recherche scientifique pour le developpement encooperation

SIG : Système d’information géographique

SPOT Satellite pour l’observation de la terre

TOPMODEL : Topographic Model

USDA-SCS United States Department of Agriculture - Soil Conservation Service.

Télédétection et ressources en eau/Remote sensing and water resources 1

Synthèse de l’atelier

INTRODUCTION

L’objectif de l’atelier était de faire le point sur l’utilisation de l’information spatiale pour lagestion des ressources en eau dans les pays en développement arides et semi-arides. Lescommunications présentées dans ce recueil ne prétendent pas traiter de manière exhaustive tousles thèmes associant la gestion des ressources en eau dans les pays en développement etl’utilisation des outils de traitement de l’information spatiale. Cependant, la richesse et l’éventailde ces communications montrent bien, dans ces pays, l’intérêt suscité par les applicationshydrologiques associées aux nouvelles technologies de traitement de l’information géographique.

Les communications et débats de cet atelier ont porté essentiellement sur l’utilisation desdonnées spatiales proposées par la télédétection satellitaire (basse résolution NOAA, hauterésolution SPOT et LANDSAT), les photos aériennes et les modèles numériques de terrain(MNT). Les systèmes d’information géographique (SIG) ont également fait l’objet decommunications soit pour des utilisations spécifiques, soit comme base de travail pour l’analysedes données issues de la télédétection. Les SIG sont utilisés pour la gestion d’informationsspatiales, mais aussi pour l’aide à la compréhension et à la décision à travers des opérationssimples (mélange de données, fusion, intersection de plans) ou complexes (modélisationshydrologiques).

Le partage par objectifs recoupe sensiblement les grandes lignes du programme de l’atelieret correspond aux deux thèmes majeurs:

• objectifs de connaissance globale ou locale de la surface de la terre pour une meilleure gestiondes ressources en eau, ce que l’on peut aussi présenter comme un souci de décrire pour mieuxgérer, notamment à court terme

• objectifs de modélisation, de compréhension et d’analyse des phénomènes hydrologiques, à

savoir décrire pour comprendre et prévoir: quantifier, schématiser, valider.

Ces deux grands axes sontdiscutés ci-dessous. Les limitesactuelles et améliorations pos-sibles évoquées dans les différentescommunications et au cours desdébats sont également présentées.Le tableau montre la répartitiondes communications en fonction deces deux thèmes.

Thèmes Nombre decommunications

Gestion des ressources en eau• approche régionale• approche locale

86

Modélisation hydrologique• Caractéristiques hydrologiques des sols• Bilan hydrique: l’évapotranspiration• Modèles hydrologiques d’écoulement

superficiel

847

Total pour l’atelier 33

Synthèse de l’atelier2

THÈME 1: GESTION DES RESSOURCES EN EAU

Un premier groupe de communications a porté sur les applications de la télédétection et des SIG àune échelle régionale ou locale et a montré des exemples d’application de ces techniques dans uncadre opérationnel. Les exemples montrent une grande diversité de possibilités: connaissancesglobales (à l’échelon du continent africain), appui à la décision et à la préparation de schémasdirecteurs, suivi régulier de grandes zones d’étude, ou au contraire informations sur des zonesrestreintes pour lesquelles ces techniques apparaissent comme une option fiable et reproductible.

L’analyse des diverses communications révèle un certain nombre d’objectifs assignés à latélédétection et aux SIG, que l’on peut classer ainsi:

Cartographie (caractérisation qualitative ou quantitative):

• limites entre zones (outil de segmentation de l’espace),• liaisons entre zones,• éléments linéaires (drains, fractures) ou objets surfaciques,• éléments caractéristiques stables dans le temps (relief, occupation du sol), ou variables

(végétation saisonnière, humidité température, ETo).

Connaissance nouvelle et suivi:

• connaissance rapide: cartographie en relation avec les risques naturels,• changement de point de vue pour la description de l’espace: passage d’une information

ponctuelle à une information régionalisée,• connaissance objective et synoptique : observations uniformes sur un vaste territoire,• intérêt majeur en zones dépourvues de cartes de base détaillées,• suivi de phénomènes évolutifs et des changements.

Régionalisation:

• calcul de bilan régional ou global,• extrapolation de résultats locaux.

Planification et gestion:

• inventaires, aide à l’établissement de schémas directeurs,• archive (mémoire des événements) et constitution de chroniques• gestion de grands ensembles, gestion des conflits.

Approche régionale: description et gestion globale de grands espaces

La description des grands ensembles intéresse trois niveaux d’information (Lointier):

• la cartographie précise des limites et une segmentation du paysage en zones homogènes.C’est l’utilisation classique des images de télédétection pour une détermination des objetsayant une signification hydrologique;


• la cartographie qualitative sur les relations d’échange d’eaux superficielles et souterrainesentre zones. C’est le niveau de caractérisation des objets par leurs relations de voisinage,leurs dispositions relatives et leurs liens thématiques;

• la cartographie événementielle des réponses du milieu à des événements particuliers, doncune problématique de suivi.

Une communication (Aouni) présente l’interprétation analogique d’images LANDSAT puisle traitement d’images sur SPOT comme outil d’inventaire cartographique de ressources en eaude surface en Tunisie: plans d’eau, barrages, réseau hydrographique, limites des bassins versants,zones humides, ressources agricoles. Dans les zones tropicales humides, pour pallier la présencecontinuelle de nuages, l’utilisation d’images Radar semble préférable, malgré les informationsrelativement pauvres contenues dans une seule image. Cette solution s’enrichit par des méthodestemporelles.

L’intérêt des images satellite peut être mesuré par une compétition entre l’apport fourni parles images et l’ensemble des autres documents disponibles. Dans le cas de zones tropicales auxcartes incertaines et peu précises, les données satellitaires, même de faible précision, atteignentvite un niveau d’intérêt suffisant pour dépasser celui des données existantes. Dans le contexte dezones aux contours flous et variables (par exemple en zones tropicales humides), on note ladifficulté de classification et la nécessité absolue d’une bonne campagne de mesures de terrain(Lointier).

L’utilisation des SIG pour la description d’une information régionale en vue d’une meilleureconnaissance et d’une meilleure gestion (y compris des conflits en cas de ressources limitées) aégalement fait l’objet de plusieurs communications (Bousquet et al., Faurès, Killmayer). Sontprésentés notamment:

• l’utilisation de données issues de la télédétection ou de données élaborées issues decroisements de plans multiples au sein d’un SIG,

• la relation entre unités hydrologiques et unités territoriales (division administrative oupolitique du territoire), et les échanges hydrauliques entre unités territoriales,

• l’intégration dans un SIG de données issues de sources diverses, y compris les données detélédétection. Une application pratique est montrée pour le Sénégal (Killmayer). Elleconcerne la mise à jour de la cartographie de casiers rizicoles dans un objectif de suivi àgrande échelle des cultures et des aménagements. L’approche est simple, opérationnelle, etpropose une méthodologie désormais classique en télédétection: classification et intégrationdans un SIG pour le suivi annuel des cultures. Ce qui est montré peut être considéré commeune première étape d’une gestion des ressources en eau, par la mise au point d’un système desuivi et de connaissance annuelle des cultures rizicoles. Dans ce cas précis, la télédétectionne représente que 10% du coût total de la prestation globale ce qui la rend facile à intégrerdans le projet.

Approche locale

Plusieurs applications pratiques au niveau local ont fait l’objet d’une communication:

La détection des plans d’eau

La détection d’un plan d’eau sur une image satellitaire optique (SPOT, Landsat) est une desapplications les plus aisées en télédétection: la radiométrie très faible de l’eau libre, en particulier


dans le proche infrarouge, lui confère une séparabilité marquée par rapport aux autres thèmes del’image. Une communication (Ousmane) montre un exemple de cette détection en zones demauvaise connaissance cartographique avec deux idées fortes:

- la télédétection peut être un outil puissant à condition de l’utiliser conjointement aux autresdonnées topographiques locales et connaissances hydrologiques: dans l’exemple décrit, lemélange d’informations de télédétection (images SPOT), climatologie (réseau au sol), et deconnaissance du relief de la zone donne une méthode simple et opérationnelle pour calculerles cubatures de plans d’eau;

- la télédétection peut être utilisée comme mémoire permettant de reconstituer des chroniquesd’événements. C’est un objectif original qui devrait prendre plus d’intérêt avec l’allongementdes chroniques d’images disponibles (pour les images passées) et la possibilité pourl’utilisateur de commander la prise de vue dans des délais relativement courts (pour lesimages à venir).

La détection des fractures et leur intérêt hydrogéologique

Deux communications montrent la recherche de linéaments sur les images, comme révélateur defractures géologiques, donc de potentialité d’exploitation des eaux souterraines. Deux aspectssont abordés:

- un aspect de cartographie des linéaments par images LANDSAT pour une thématiquegéologique (fractures) et hydrogéologique (implantation des forages). La méthode estclassique en zone de socle à partir de photographies aériennes mais l’utilisation d’imagessatellitaires numériques est relativement nouvelle. Le traitement numérique des imagespermet d’utiliser la puissance des algorithmes de recherche des linéaments et évite, au moinspartiellement, le caractère subjectif de la photo-interprétation;

- un aspect d’analyse: étude des fréquences et des liens entre forages et fractures par l’analysede la productivité des forages en fonction de leurs distances aux fractures (par SIG) et de ladirection des fractures. La détection des accidents tectoniques les plus productifs permet deguider ultérieurement le choix des nouveaux emplacements de forage. Ce point est tout à faitintéressant car il montre comment ces analyses, utilisant des SIG, permettent une utilisationpratique des résultats pour l’alimentation en eau des populations en augmentantsignificativement les chances de succès dans la recherche des forages à gros débit.

La délimitation des bassins versants

L’utilisation des modèles numériques de terrain (MNT) pour la caractérisation hydrologique desbassins versants prend actuellement beaucoup d’importance du fait de la facilité récente d’obtenirdes MNT à coût raisonnable et avec des caractéristiques de précision correspondant aux cartestopographiques actuellement disponibles. La majorité des applications hydrologiques de ces MNTconcerne le domaine des algorithmes de calcul, notamment pour la caractérisation des réseauxhydrologiques, des limites des bassins versants, des pentes, etc. Ce domaine algorithmique est à lafois valorisant et d’approche relativement aisée, d’où la multiplication des logiciels de ce type.Une communication (Bergaoui et Camus) montre l’utilisation du logiciel DEMIURGE élaboré àl’ORSTOM pour une caractérisation des potentialités d’érosion et la modélisation hydrologiqueen Tunisie. Le MNT sert à définir les pentes, le réseau hydrographique et les indices de Beven.Dans le cas de bassins petits et plats, cependant, les diverses communications traitant du sujet


s’accordent à dire qu’il est difficile d’extraire correctement le contour du bassin versant et leréseau hydrographique à partir du MNT.

L’importance d’adapter le capteur aux objectifs

Un exposé (Puech et Carette), qui montre des résultats obtenus à partir de capteurs multiplespour des études locales en Afrique, est illustré par trois exemples: photo aérienne amateur,utilisation des photographies aériennes classiques et images satellite SPOT. L’important estd’avoir une bonne adéquation entre l’objectif de l’application, l’échelle de travail et le capteur:éviter de privilégier l’outil par rapport à la thématique et éviter l’acharnement numérique sur lesimages si elles ne contiennent pas l’information nécessaire. Le facteur coût doit également êtreintégré dans le choix du capteur utilisé. Les photographies aériennes et les images satellite sont engénéral des sources d’informations complémentaires à utiliser avec discernement.

La télédétection et la gestion de l’espace rural

Une communication (Patrick) propose d’intégrer les connaissances sur l’environnement à partirde deux sources complémentaires: la télédétection et la connaissance indigène détenue par lespopulations locales. La télédétection donne une vision à un instant donné, tandis que lespopulations locales intègrent une connaissance du terrain sur plusieurs années. La communicationpropose d’intégrer la connaissance indigène dans un système expert. Cette méthodologie,originale car elle essaye de combiner les informations globales avec les connaissances despopulations, doit encore être testée avant que l’on puisse juger de sa faisabilité.

THÈME 2: MODÉLISATION HYDROLOGIQUE ET DÉTERMINATION DES PARAMÈTRES

Dans cette section, deux étapes fondamentales peuvent être distinguées: une phase de descriptionet de cartographie, suivie d’une phase de modélisation. Dans l’ensemble des communications lesobjectifs décrits sont les suivants:

Phase de description et de cartographie

• détermination des caractéristiques hydriques des sols: cartographie quantitative deparamètres peu variables dans le temps (types de sol, végétation, cultures, états de surface etindices de ruissellement);

• détermination d’éléments du bilan hydrique: cartographie quantitative de paramètresvariables dans le temps (humidité, évapotranspiration, température);

• segmentation objective de l’espace en unités hydrologiques.

Phase de modélisation hydrologique et de compréhension

• obtention d’information spatialement distribuée et utilisation comme support demodélisation;

• analyse des liens entre environnement et fonctionnement: recherche des mécanismesdescriptifs du fonctionnement de l’environnement,

• analyse fine des comportements hydrologiques: intérêt nouveau pour le fonctionnementhydrologique interne au bassin versant.


Phase de description et cartographie

Caractéristiques hydrologiques des sols

Plusieurs communications décrivent les travaux réalisés dans le cadre du projet FAO pourl’estimation des débits en zone sahélienne, et notamment les essais effectués dans le cadre del’utilisation de la télédétection pour une meilleure estimation des débits des petits bassins versantsainsi que les travaux de cartographie des états de surface au Sahel (Lamachère et Puech). Cestravaux partent de l’hypothèse que la région sahélienne est a priori favorable à la mise au pointd’outils issus de la télédétection pour la compréhension de la genèse des débits du fait departicularités multiples: absence de cartes de base précises, faible relief, saisons tranchées,ruissellement de surface prépondérant. Plusieurs essais de liaison entre télédétection et hydrologieont été effectués dans cette zone depuis 1985. La méthode décrite au cours de l’atelier est baséesur les principes suivants:

• une connaissance hydrologique élémentaire donnée par les états de surface type du Sahel,d’après une synthèse de mesures sur l’appareil simulateur de pluie (cases de 1 m²);

• une cartographie de ces états de surface à partir d’images satellitaires (LANDSAT TM) etde données de terrain spécifiques;

• une validation hydrologique à l’aide d’observations de terrain sur un ensemble de petitsbassins versants sahéliens.

Les résultats permettent une cartographie raisonnable des potentialités de ruissellement,c’est-à-dire des ruissellements élémentaires à attendre de chaque pixel. Cette cartographie est unatout sérieux pour la comparaison des bassins versants et la hiérarchisation éventuelle desruissellements élémentaires en termes d’écoulements globaux. Cependant, pour quantifier lesécoulements à l’exutoire d’un bassin versant, la carte des potentiels de ruissellement ne suffit paset le transfert des ruissellements de l’amont vers l’aval ainsi que la modélisation des écoulementsdans les cours d’eau posent encore des problèmes qui sont loin d’être résolus. Pour utiliser lacarte des potentialités de ruissellement à l’échelle des bassins versants, il est en effet nécessairedans l’état actuel des recherches d’utiliser une fonction de calage. Les paramètres de cettefonction de calage ont été estimés et peuvent être utilisés pour le calcul des crues de fréquencedécennale sur les petits bassins versants d’Afrique de l’Ouest.

Une communication présente l’utilisation du modèle pluie-débit mis au point par le Servicede conservation des sols du Département de l’agriculture des Etats-Unis (USDA-SCS) à traversdes nombres guides (CN: runoff curve number) pour définir les conditions d’écoulement(Colombo et Sarfatti). C’est la méthode la plus classique et la plus simple d’utilisation de latélédétection pour l’estimation des conditions d’écoulement. Cette méthode, mise au point auxEtats-Unis, est testée ici en Erythrée pour l’estimation des débits de crue puis les écoulementsannuels. La démarche est simple, séduisante et très adaptée aux possibilités de la télédétection.Elle comporte deux phases: une phase de segmentation de l’image basée sur la télédétection et unephase d’attribution d’un paramètre global de comportement hydrodynamique (coefficient deproduction) utilisé ensuite au prorata de l’occupation du sol. L’extrapolation des méthodes decalcul pose le problème du choix des coefficients CN dans la mesure où ces coefficients sontutilisés dans un contexte différent de celui dans lequel ils ont été établis initialement.

Une autre communication s’insère dans cette même problématique d’une réponsehydrologique par unités de paysage considérées comme homogènes du point de vue hydrologique


(Viné). La phase de segmentation de l’espace fait référence à des “hydro-paysages”, et insiste surles hypothèses des modèles et du choix de la segmentation. L’espace est découpé en unités depaysage regroupées selon un nombre limité de catégories d’occupation du sol. Ces catégories sontdéfinies à partir de l’image. Le choix des catégories repose sur l’hypothèse d’une contributionhydrologique spécifique à chacune. En mettant en relation des réponses hydrologiques globalessur plusieurs petits bassins versants (aux pas de temps annuel, trimestriel et mensuel) avec lesdifférentes catégories d’occupation du sol, la réponse unitaire de chaque catégorie est retrouvéepar un schéma de déconvolution numérique, selon une technique désagrégative. Cette méthoded’analyse originale semble adaptée à la valorisation de la télédétection pour fournir une valeurglobalisée de la réponse hydrologique par unité de paysage.

Toutes ces approches mettent l’accent sur les utilisations de la télédétection comme outil desegmentation de l’espace et sur l’utilisation de cette segmentation de l’espace comme phaseinitiale à la modélisation permise par les outils spatiaux tels que la télédétection, les SIG et lesMNT.

Cartographie de paramètres variables dans le temps (bilan hydrique)

La télédétection est également présentée comme outil de cartographie de paramètres variablesdans le temps (température, humidité) difficilement obtenus à partie des réseaux habituels demesures ponctuelles. Cet aspect est particulièrement intéressant dans la mesure où il pose leproblème du changement de vision par lequel on passe des mesures ponctuelles à des informationssurfaciques élémentaires.

Deux communications écrites (Hurtado Santi et al., Chehbouni et al.) partent d’unecartographie infrarouge thermique et montrent l’utilisation de modèles théoriques dans les bilansd’échanges pour approcher l’évapotranspiration réelle (ETR) en utilisant la différence entretempérature radiative et aérodynamique. Les travaux sont appliqués à des régions semi-arides del’Arizona, du Sahel et du centre de l’Espagne. La télédétection y est décrite comme instrument despatialisation de l’information, le but de l’opération étant ici de produire des cartes d’ETR auniveau régional.

Enfin, une communication (Gineste) présente la contribution des données radar ERS àl’estimation de l’humidité du sol sur un petit bassin versant en France. Les résultats ne permettentpas de dresser des cartes d’humidité du sol car la calibration des images reste un problèmemajeur. Par contre ils permettent d’obtenir une vision relative de la dynamique et de ladistribution spatiale de l’humidité sur le bassin versant. L’intérêt d’une telle approche réside doncsurtout dans une visualisation des variations spatiales et temporelles d’humidité de surfacedéfinies par les modèles hydrologiques. Ces résultats peuvent être utilisés comme outils devalidation de ces modèles.

Segmentation objective de l’espace - référence à la notion de zones hydrologiquementhomogènes

La modélisation des écoulements ou la simple compréhension de l’environnement hydrologiquefait une référence quasi systématique à l’utilisation de données spatiales comme outil desegmentation en zones homogènes. Même si ce recours n’est pas toujours exprimé comme tel, ilest cependant présent dans la plupart des communications.


La télédétection et les SIG apparaissent comme l’outil par excellence pour segmenterl’espace. Pratiquement toutes les communications qui parlent d’utilisation de l’occupation du solintègrent cette étape de segmentation. Certaines se contentent de présenter la méthode desegmentation et les résultats cartographiques sans passer à la phase de modélisation, lien avec lefonctionnement environnemental étudié.

D’autres communications proposent des réflexions sur le choix et la signification des zoneshomogènes: ces zones, homogènes sur les images (selon un aspect de vision), doivent aussicorrespondre à des fonctionnements semblables vis-à-vis du thème étudié. Or on constate (Viné)que l’homogénéité visuelle n’est pas le garant d’une homogénéité de comportement.

Les données segmentées peuvent ensuite être introduites dans une modélisation qui estgénéralement l’objectif final: la segmentation de l’espace n’est souvent que l’étape initiale desapplications de la modélisation.

Phase de modélisation hydrologique

Dans l’approche spatiale de la modélisation des écoulements, la séparation en deux phasesapparaît donc nettement: segmentation de l’espace puis modélisation proprement dite. Au-delà dela mise en oeuvre de ces deux phases fondamentales, certaines communications se sont penchéessur leur construction elle-même, présentant ainsi un caractère de recherche et de mise au pointméthodologique. Segmentation de l’espace et modélisation distribuée posent en effet desproblèmes aigus de validité et de signification, car elles manipulent des plans multiples, ce qui serévèle à la fois excessivement aisé du point de vue informatique et excessivement incertain dupoint de vue de la signification et de la cohérence des résultats.

Modélisations hors SIG

Il s’agit de calculs hors de tout environnement SIG mais pour lequel les données de base sontspatiales. Quelques résultats ont été montrés et décrits plus haut: les applications les plusefficaces sont les plus simples et les plus classiques: modèles de bilan hydrologique ou modèlesSCS (Soil Conservation Service USDA) où à chaque occupation du sol est associé un coefficientd’écoulement.

Deux communications (Nonguierma et Dautrebande, Colombo et Sarfatti) présententl’application de modèles simples de type SCS. La télédétection sert pour la segmentation en zoneshomogènes: une évaluation du CN par zones est proposée, basée sur l’occupation moyenne dusol, la quantification de l’écoulement étant au prorata de chaque zone homogène.

Une autre communication (El Idrissi et Persoons) utilise un schéma conceptuel simple(linéarité, permanence durant une averse des fonctions de production et de transfert) et efficacepour simuler les hydrogrammes de crues exceptionnelles pour le dimensionnement d’ouvragesd’art: l’organisation du modèle distribué (MHM) permet un calcul accéléré par rapport auxmodèles distribués classiques car il utilise des classes de pixels en position isochrone par rapportà l’exutoire. Son application consiste en scénarios testant l’influence de l’évolution decaractéristiques physiques des bassins sur la modification du régime des crues.

On pourra noter aussi la référence à la modélisation TOPMODEL sur la base de laconnaissance spatiale du relief (Gineste). Il s’agit d’un modèle conceptuel simplifié de nappeaquifère qui propose, pour le calcul des crues, une transformation pluie-débit basée sur la notion


d’aires contributives variables (au cours de l’averse). Ces aires sont repérables par leur indice desaturation qui est fonction de la pente et de la superficie drainée à l’amont du point considéré. Apartir d’un modèle numérique de terrain (MNT), on peut cartographier cet indice puis calculer sadistribution qui entre ensuite directement dans la modélisation. L’accès de plus en plus aisé auxMNT encourage l’utilisation de ce type de modèle, et valorise la prise en compte du relief dansles modélisations hydrologiques. En raison des hypothèses sur les processus élémentairesd’écoulement, son application est a priori restreinte aux zones humides ou tempérées.

Modélisations sous SIG

Des exemples de modélisations à base de données spatiales gérées au moyen de SIG sont montrésen termes simples (modèle de bilan hydrique régional construit avec un SIG à l’échellecontinentale, Bousquet et al.) ou plus complexes (modélisations incluant des fonctions detransfert et de production, Faurès). Une communication (Perez et al.) présente le test d’un outil demodélisation distribué événementiel, le modèle ANSWERS qui travaille sous environnementGRASS (logiciel de SIG en mode image pour définir l’écoulement et l’érosion dans un bassinagricole. Le modèle nécessite la connaissance initiale de nombreux paramètres, dont plusieursobtenus à partir des informations recueillies sur le terrain ou des images de télédétection,quelques paramètres étant obtenus par calage. L’application est simplifiée par l’utilisation directed’un certain nombre de plans d’informations (relief, occupation du sol) dans la modélisation.

Dans le cas de mélange de plans issus d’un SIG se posent des problèmes de signification desrésultats cartographiques obtenus, en particulier à propos des limites entre zones homogènes. Ceproblème a été soulevé par les participants au séminaire: à la jonction des zones, les variationspeuvent apparaître artificiellement brutales, alors qu’elles sont normalement progressives dans laréalité.

Bien que de nombreuses questions liées à la précision, à la validation et à la signification destraitements cartographiques sous SIG restent à résoudre, les résultats obtenus sont généralementplus précis, plus exhaustifs et plus aisés à exploiter que la simple compilation de mesuresponctuelles non systématiques. Même si des difficultés de fond subsistent, l’utilisation des SIGconstitue une option intéressante pour l’extension, l’interpolation et l’extrapolation desobservations ou pour le croisement de plans d’information de nature différente.

Conclusions

Modélisation hydrologique

Au-delà des résultats proprement dits, certaines communications ouvrent une base de réflexionsur des questions plus fondamentales et se penchent sur le lien entre modèles hydrologiques etdonnées spatiales. L’analyse des écarts des modèles aux observations en zone sahélienne met enévidence la faible précision de ces dernières. Les outils spatiaux permettent de mieux prendre encompte les disparités locales. En particulier, la télédétection au sens large peut être utiliséecomme une source explicative des écarts entre bassins versants à travers des représentations del’occupation du sol ou du drainage. Elle permet d’étudier les bassins versants dans leurs détails.Toutefois, la plupart des modélisations hydrologiques utilisant la télédétection supposentl’invariance et la linéarité des processus, ce qui est loin d’être admis.

La télédétection est présentée comme outil de validation d’hypothèses. Les images radar, parexemple, peuvent aider à valider ou invalider les hypothèses sur la dynamique de l’humidité dans


le bassin versant. Les comportements internes au bassin versant peuvent être expliqués par deuxéléments spatiaux: la morphologie (d’où l’intérêt de l’utilisation des MNT en modélisation) etl’occupation du sol (d’où l’intérêt de la télédétection). De nombreux modèles utilisant soit l’unsoit l’autre de ces outils ont été développés à différentes échelles.

Le lien entre paramètres descripteurs de l’espace et indicateurs hydrologiques est égalementun sujet d’importance. Il montre la difficulté d’association entre des objets visuels disponiblesdans l’image et des objets requis par l’hydrologie car leur liaison est soumise à des exigencesd’échelle: la description des processus hydrologiques change avec l’échelle. Ainsi, le choix desobjets hydrologiques (zones homogènes) ne saurait être unique. Leur taille dépend des objectifs del’étude et doit reposer sur un compromis entre la prise en compte des phénomènes physiques à labase de la compréhension des processus hydrologiques et les données de terrain disponibles pourle calage des modèles.

Dans le contexte sahélien, chaque échelle doit avoir son approche particulière. Lacartographie des potentialités d’écoulement est possible à l’échelle du pixel en zonesd’écoulement superficiel prépondérant (c’est le cas du Sahel) et permet une bonne comparaisondes bassins versants entre eux. Mais en raison de la non linéarité des processus hydrologiques etde la difficulté relative à leur représentation à différentes échelles, le débit à l’exutoire d’un bassinversant ne peut être obtenu par simple sommation des ruissellements élémentaires obtenus sur lespixels: il faut alors travailler sur des objets hydrologiques de plus grande taille pour lesquels lesmesures de ruissellement n’existent pas.

Les données issues de la télédétection et des MNT procurent désormais des descriptionsspatiales presque continues, ce qui permet de s’intéresser à la variabilité interne au bassin versantet donc d’utiliser des modèles distribués pour simuler son fonctionnement hydrologique.Cependant, ceci met en évidence les difficultés de mise en oeuvre de ces modèles distribués: laconnaissance actuelle des processus internes au bassin versant est insuffisamment développéepour que les données issues de la télédétection et les MNT puissent être pris en compte de façonvéritablement utile. En effet, l’hydrologie dont le développement est antérieur à celui destechnologies de collecte et d’analyse de l’information spatiale est maintenant mal adaptée àl’utilisation optimale des potentialités que représentent la télédétection et les SIG. Les méthodesempiriques développées pour l’estimation des débits de crues et des apports annuels utilisent àpeine, et généralement sous une forme statistique, l’information spatialement distribuée. Unimportant travail de mise au point de nouvelles méthodes hydrologiques devrait être entrepris sil’on veut espérer pouvoir utiliser de la meilleure façon possible l’information géoréférencée.

Parallèlement se pose le problème du choix du modèle: modèle physique alimenté par lesdonnées spatiales, au calage difficile et donc fondamentalement instable, ou modèle conceptuelparamétrique avec calage plus aisé mais une difficulté plus grande d’expliquer le sens physiquede ces paramètres.

Dans tout ce qui précède, des résultats positifs, plutôt encourageants, ont été présentés.Cependant, les techniques spatiales révèlent aussi un certain nombre de blocages, voire d’échecs.L’analyse de ces échecs est souvent très riche en enseignements. Elle alimente la réflexion etpermet de mieux identifier les raisons de ces blocages. Les diverses communications etdiscussions ont ainsi évoqué plusieurs raisons qui peuvent être à la base de ces difficultés:


Des raisons techniques:

• vision limitée aux couches supérieures du terrain.

Des raisons liées à l’utilisation inadaptée des outils:

• désir de mettre au point des outils universels qui butte contre l’impossibilité de modélisercorrectement les phénomènes naturels dans leur variabilité géographique;

• sous-estimation du rôle de la validation et des mesures de terrain;• utilisation d’une technique en substitution d’une autre sans rechercher la complémentarité.

Des raisons de limitation méthodologique:

• développement rapide de l’informatique, associé à une avancée plus lente des méthodologieset des réflexions thématiques;

• approche surfacique qui correspond à des schémas de pensée nouveaux auxquels ne sont pasadaptées les méthodes traditionnelles de calcul;

• problèmes d’échelle et changement d’échelle aux conséquences mal gérées: sensibilitéextrême des indicateurs aux échelles spatiales et temporelles, mélange abusif de documentsd’échelles multiples;

• mauvais choix des indicateurs dits utiles.

Résultats opérationnels

Les diverses communications de l’atelier présentent d’une part des résultats opérationnels etd’autre part des réflexions générales sur les méthodes de traitement de l’information spatiale dansl’étude et la gestion des ressources en eau. Parmi les résultats opérationnels, on trouveessentiellement des applications cartographiques simples, la télédétection et les MNT procurantdes informations cartographiques nouvelles, pertinentes et de qualité mesurable. On en déduit despossibilités énormes en terme de connaissance de l’environnement et de quantification surfaciquede paramètres spécifiques. Beaucoup d’espoirs se portent également vers l’utilisation des SIGpour la gestion intégrée des nombreuses données spatiales. Par contre, les modélisations qui leursont associées en sont encore au stade de la recherche.

L’opérationnalité des démarches est de ce fait très variable et peut être jugée à travers unegrille de critères tels que:

• la région de travail (valorisation d’autant plus aisée que le milieu est peu ou mal connu);• la connaissance préalable thématique pour la validation (importance des mesures de terrain,

des observations sur bassins expérimentaux);• la précision requise, déterminée par l’objectif de l’application;• la simplicité de l’utilisation (simple vs complexe, opérationnel vs recherche);• l’utilisation conjointe de la télédétection et des SIG des sources d’information classiques.

Blocages méthodologiques

La difficulté d’utilisation de ces nouveaux outils et de ces nouvelles données apparaît comme demoins en moins liée à la technique elle-même. Par l’évolution spectaculaire des outils, desdonnées numériques et des logiciels disponibles, la cartographie et les traitements numériques ontconnu un développement remarquable. La cartographie numérique conduit à des documents dequalité certaine avec des progrès suffisants pour ressentir un déséquilibre croissant entre


technique et réflexions. La difficulté principale ne réside pas dans la production des cartes maisdans leur analyse, leur exploitation et leur interprétation en liaison avec des objectifs thématiques.

L’utilisation de la télédétection et des SIG pour l’étude des ressources en eau permetd’intégrer de façon de plus en plus détaillée les éléments du paysage dans les algorithmes decalculs. Leur utilisation efficace ne peut être obtenue que par une schématisation du réel.Aujourd’hui, les difficultés essentielles résident principalement dans cette schématisation oumodélisation. Il faut désormais orienter la recherche sur l’utilisation de l’espace à travers lesnotions d’objet et de liaisons entre objets.

Pour ce qui est de la télédétection par elle même, l’amélioration de l’utilisation ne doit passeulement être attendue de meilleures spécifications techniques (une meilleure résolution parexemple) mais surtout d’une meilleure utilisation de l’information disponible. Bien souvent lesrésolutions potentielles deviennent trop fines par rapport à l’objectif et il faut envisager desdégradations d’images pour mieux atteindre l’objectif souhaité. La recherche de la résolutionoptimale, en relation avec l’objet d’étude, devrait être une préoccupation plus systématique etfondamentale et intervenir en préalable à l’application.

Beaucoup de travaux partent du postulat que l’on peut délimiter des zones homogènes dupoint de vue de leur comportement hydrologique. La difficulté réside non seulement dans le tracédes limites de ces zones mais également dans leur définition. En effet, il n’est pas aisé de choisirles critères à utiliser pour définir ces zones, sachant que l’homogénéité ne correspond pas à laréalité. Ainsi, à chaque type d’image on peut faire correspondre une segmentation de l’espaceselon des unités homogènes définies sur des caractéristiques visuelles mais il faudrait s’assurerque cette segmentation de l’espace a également une signification fonctionnelle en liaison avec lesprocessus étudiés.

D’autre part, la très grande facilité d’utilisation des logiciels de traitement d’image et desoutils qui leur sont associés constitue un certain danger. Il est désormais possible de procéder àdes classifications d’images de manière anarchique, sans vérification sur le terrain, sans contrôleet sans lien avec l’objectif thématique. Il est possible de croiser rapidement et de mélanger sansvalidation, sans contrôle ni réflexion, un grand nombre de plans de base ayant des échelles et dessignifications différentes. Un réel danger existe de se laisser emporter par la facilité descartographies numériques et de ne pas avancer dans le champ de leur utilisation raisonnée.

Applications prometteuses

Parmi les applications les plus opérationnelles de l’utilisation des données issues de latélédétection figure leur intégration avec les SIG qui semble actuellement se répandre le plus vite,que ce soit pour le croisement de plans, comme outil de gestion spatiale de données multiples, oupour l’aide à la gestion hydraulique d’une zone définie. Ces applications devraient continuer à sedévelopper dans les prochaines années car les SIG permettent d’élaborer des documentscartographiques synthétiques, base de discussions entre acteurs et donc outils essentiels, parexemple, pour la gestion des conflits d’usages. Or, on sait qu’avec l’augmentation des usages del’eau, le nombre de régions où cette denrée devient rare s’accroît également. Plusieurscommunications sont témoins de ces préoccupations et présentent des exemples de mise en oeuvred’un SIG pour la gestion des ressources en eau sur des bassins soudano-sahéliens (Traoré).

L’intérêt des données issues de la télédétection est aussi nettement affirmé pour lacartographie des paramètres variables des modèles hydrologiques, là où seules des données


ponctuelles étaient disponibles autrefois (humidité, évapotranspiration, température). Il y a donclà, pour certains paramètres, une évolution dans la méthodologie de prise des données. D’autresexemples de modélisation de ruissellements à travers des modèles spatialisés donnent des résultatsencourageants malgré toutes les incertitudes qui y sont encore associées. L’intérêt spécifique deces données nouvelles a été montré en insistant notamment sur l’association entre les images detélédétection représentatives des états de surface et de l’occupation du sol et les MNT,représentatifs de la connaissance topographique des bassins versants.

Enfin, les images offrent désormais une mémoire surfacique des événements exceptionnels(inondations par exemple). Avec l’allongement des séries d’images d’archives, celles-ci peuventégalement se concevoir comme des chroniques d’évolution du paysage ou des événementshydrologiques au même titre que les séries chronologiques de débits. Les applications liées àl’exploitation de ces données devraient connaître dans le futur un développement important.



Summary of the workshop

INTRODUCTION

The objective of the workshop was to assess the current status of application of spatialinformation to the management of water resources in arid and semi-arid developing countries.The presentations included in this publication do not pretend to exhaustively cover all issuesrelating the use of spatial information systems to the management of water resources indeveloping countries. However, the richness and the variety of papers prove the interest inhydrological applications related to analysis of spatial information that exists in these countries.

The presentations and the discussions of this workshop were centred mostly upon theutilization of spatial data obtained from satellite platforms (low resolution NOAA, highresolution SPOT and LANDSAT), aerial photography and digital elevation models (DEM).Geographic information systems (GIS) were also covered in many presentations, either forspecific applications or for the analysis of data obtained from remote sensing. GIS are used forthe management of spatial information, but also as information and decision-making toolsthrough simple (data combination, data aggregation, intersection of overlays) or complexoperations (hydrological modelling).

A classification by objective effectively summarizes the two main themes of the workshop:

• objectives related to global or local knowledge of the earth surface for an improvedmanagement of water resources, which may also be described as an attempt to describe inorder to manage better, particularly in the short term.

• objectives related to modelling, comprehension and analysis of hydrologic events, which

consists in describing for understanding and forecasting: quantifying, classifying andvalidating.

These two main themes arediscussed below. The currentlimitations and possible improve-ments underlined in the differentpapers and during the discussionare also presented. The table showsthe distribution of presentations asa function of these two themes.

Themes Number ofpresentations

Management of water resources• regional approach• local approach

86

Hydrological modelling• hydrological characteristics of soil• water balance: evapotranspiration• hydrological models of surface runoff

847

Total for the workshop 33

Summary of the workshop16

THEME 1: MANAGEMENT OF WATER RESOURCES A first group of presentations covered the application of remote sensing and GIS on a regional orlocal scale and provided various examples of the application of these techniques in an operationalframework. The examples illustrate a wide range of possibilities: global knowledge (on theAfrican continent scale); assistance to preparation and implementation of master plans; regularmonitoring of large study areas or; on the opposite end, information on limited areas for whichthese techniques appear to be both a reliable and replicable option. The analysis of the different presentations shows a certain number of objectives assigned toremote sensing and to GIS, and these can be classified as follows: Cartographic (qualitative and quantitative characterization): • boundaries between zones (spatial segmentation tools),• links between zones,• linear (drainage, fractures) and surface objects, characteristic features that are stable (relief,

land use) or variable (seasonal vegetation, humidity, temperature, evapotrans-piration.) overtime.

Updated information and monitoring: • readily available information: maps related to natural hazards,• change of viewpoint for the description of space: from local to regional information,• objective and complete information: uniform observations on large surfaces, particularly for

areas lacking detailed base maps,• monitoring of change and evolving phenomena. Regionalization: • calculation of regional or global balances,• extrapolation of local results. Planning and management: • inventories, support to the formulation of master plans,• archive (memory of events) and creation of records,• management of large units, conflict management. Regional approach: description and global management of large land units

The description of large land units is related to three levels of information (Lointier):

• • accurate mapping of boundaries and segmentation of landscape in homogenous zones. Thisis the classic use of remotely sensed images for the determination of objects of hydrologicalsignificance;

• • qualitative mapping of the exchange of superficial and underground water between zones.Objects are characterized by their proximity, their relative position and their thematic links:

• • mapping of environmental response to specific events, therefore a monitoring approach.


One paper (Aouni) described the analog interpretation of LANDSAT images followed bythe analysis of SPOT images as a tool for the inventory of surface water in Tunisia: waterssurfaces, dams, hydrologic network, boundaries of watersheds, wetlands, agricultural resources.In humid tropics, to compensate for the continuous presence of cloud cover, the use of radarimages appears to be more appropriate, notwithstanding the rather poor information included in asingle image. This solution can be integrated with temporal methods. The importance of satellite images can be measured by comparing the contribution of theimages and of all other material available. In the case of tropical zones for which low-qualitymaps exist, satellite data, even of low resolution, quickly attain a much higher level of interestthan other existing data. For areas that have unclear or variable boundaries (such as tropicalwetlands), it is difficult to carry out proper classifications and field checks become essential(Lointier). The utilization of GIS for the description of regional information in order to obtainimproved knowledge and better management (including conflicts in the case of limited resources)was also the subject of several presentations (Bousquet et al., Faurès, Killmayer). The followingwere presented: • the use of data obtained from remote sensing or of data from the intersection of multiple

overlays within a GIS;

• the relation between hydrological and territorial units (administrative or political boundaries ofthe land), and the hydraulic exchanges between territorial units

• the integration in a GIS of data from different sources, including remote sensing data. Apractical example is given for Senegal (Killmayer). This describes the updating of maps ofrice paddies with the objective of large scale monitoring of cropping and management. Theapproach is simple, operational and proposes a methodology that is now widely used in remotesensing: classification and integration into a GIS for the annual monitoring of crops. What isshown, can be considered to be a first step in the management of water resources, through theelaboration on an annual basis of a monitoring and information tool for rice crops. In thespecific case, the cost of remote sensing represents only 10% of the global cost of themonitoring system, which makes it easy to integrate it into the project.

Local approach Several local level application were included in the presentations: The detection of water surfaces The detection of water surfaces on an optical satellite image (SPOT, Landsat, etc.) is one of theeasiest applications of remote sensing: the very weak radiometry of open water surfaces,particularly in the near infrared, gives them a high level of separability if compared to the otherthemes of the image. One presentation (Ousmane) gives an example of this type of detection inareas with poor cartographic information. There are two main ideas: - remote sensing can be a powerful tool, on condition that it is used in conjunction with other

local topographic and hydrological data: in the example provided, the combination of remotesensing information (SPOT), climatic data (ground station) and a good knowledge of the


local topography provides a simple and operational method to calculate the volume of watersurfaces;

- remote sensing can be used as a database, making it possible to reconstruct a series ofevents. This is an original objective which will become increasingly important with thegrowing availability of chronological images (for the past) and the possibility for the user toselect the viewing angle even at short notice (for the future).

The detection of fractures and their hydrological interest Two presentations described the identification of linear features on the images as an indicator ofgeological fractures, therefore potential areas for the utilization of groundwater. Two aspectswere covered: - a cartographic aspect: mapping of linear features with LANDSAT images for geological

(fractures) and hydrogeological purposes (for the selection of drilling sites). Aerialphotography was used routinely in fault areas, but the use of digital satellite imagery isrelatively new. Digital analysis of the images makes it possible to use powerful algorithmsfor searching linear features and reduces, at least partially, the subjective nature of photo-interpretation;

- an analytical aspect: a study of frequencies and of the connection between drilling sites and

fractures through the analysis of the productivity of the sites in relation to their distancefrom the fractures (through GIS) and the direction of the fractures themselves. The detectionof the most productive tectonic events facilitates the choice of areas for new drilling sites.This point is particularly interesting, as it shows how these analyses with a GIS, can providea practical utilization of the results. Water resources can be supplied to people by greatlyincreasing the chances of success in the search of high yield drilling sites.

The delimitation of watersheds The use of digital elevation models (DEM) for the hydrological definition of watershed isbecoming increasingly important due to the relative ease of obtaining DEM at reasonable costand with a degree of accuracy that corresponds to that of the maps currently available. Most ofthe hydrological applications of these DEM are connected to the use algorithms, particularly forthe definition of hydrological networks, the boundaries of watersheds, the measure of slopes, etc.These algorithmic application are at the same time very valuable and rather easy to use, a factthat has caused a multiplication of software available on the market. One example is provided inthe presentation of Bergaoui and Camus that describes the application of the DEMIURGEprogramme created by ORSTOM for the definition of erosion potential and hydrologicalmodelling in Tunisia. The DEM is used to define slopes, the hydrological network and the Bevenindices. In the case of small and flat catchments, however, most presentations agree that it isdifficult to correctly derive the boundaries of the watershed and the hydrological network fromthe DEM. The importance of adapting the platform to the objectives One presentation (Puech and Carette), shows the results obtained from a variety of platforms forlocal studies in Africa, illustrated by three examples: amateur aerial photography, use of standardaerial photography and SPOT satellite images. It is important to have a good correlation between


the objective of the application, the scale and the platform: always avoid privileging the tool overthe theme, avoid carrying out excessive digital analysis on the image if it doesn’t contain therequired information. The cost factor should also be integrated in the choice of the platform to beused. Aerial photography and satellite images are usually a source of complementary informationto be used with caution. Remote sensing and the management of rural space Another presentation (Patrick) proposes the integration of environmental information obtainedfrom two complementary sources: remote sensing and the indigenous knowledge of localpopulations. Remote sensing provides a view at a given moment, while local populations integratethe knowledge of local conditions over a number of years. The presentation suggests integratingindigenous knowledge into an expert system. This method, particularly original in its attempt tocombine global information with the local knowledge, needs further testing before its feasibilitycan be evaluated. THEME 2: HYDROLOGICAL MODELLING AND THE DEFINITION OF PARAMETERS In this section, it is possible to identify two main themes: a descriptive and mapping theme,followed by a modelling one. The objectives of the presentations in this section may be describedas follows: Description and mapping • determination of the hydrological characteristics of soils: quantitative mapping of parameters

that vary over time (soil types, vegetation, crops, surface conditions and runoff index);• determination of the elements of water balance: quantitative mapping of parameters that vary

over time (humidity, evapotranspiration, temperature);• objective division of space into hydrological units. Hydrological modelling and interpretation • collection of spatially distributed information to be used as a support for modelling;• analysis of the connections between environment and its functions: search for descriptors of

environmental mechanisms,• detailed analysis of hydrological behaviour: renewed interest for the internal hydrological

functions of watershed.

Description and mapping phase

Hydrological characteristics of soils

A number of presentations described the activities carried out in the framework of an FAOproject for the estimation of discharge in Sahelian regions, and particularly the tests carried outon the utilization of remote sensing for the improved estimation of discharge from smallwatersheds. The surface feature mapping in Sahel (Lamachere and Puech) was also described.These activities start from the assumption that, thanks to a number of peculiarities, the Sahelianregion is favourable for the development of remote sensing tools used for assessing the origin of


discharges: absence of detailed base maps, limited relief, well defined seasons, and dominance ofmainly surface runoff over interflow. Several attempts have been made in this ares to link remotesensing and hydrology since 1985. The method described during the workshop was based uponthe following elements:

• elementary hydrological knowledge based on the standard surface conditions of the Sahel,obtained from a synthesis of measures with a rainfall simulators (1 m2 test areas);

• surface feature mapping obtained from satellite imagery (LANDSAT TM) and ground data;

• hydrological validation obtained with field observations on a number of small Sahelianwatersheds.

Through the results it is possible to obtain a reasonable map of the potential runoff, that isto say the basic runoff to be expected from each pixel. This map is an important tool for thecomparison of watersheds and the eventual hierarchization of basic runoffs in terms of total flow.However, the map of potential runoff is not sufficient to quantify the runoff at the outlet of thewatershed. The downstream transfer of runoff and the modelling of flow within water courses stillpose a number of problems that are far from being solved. To use the map of runoff potential atthe watershed scale, it is currently necessary to use a calibration function. The parameters of thisfunction have been estimated and can be used for calculating the 10-year floods on smallwatersheds of West Africa.

One presentation covers the use of the rainfall-runoff model elaborated by the SoilsConservation Service of the United States Department of Agriculture (USDA/SCS) through therunoff curve number (CN) to define the conditions of runoff (Colombo and Sarfatti). This is themost traditional method and the simplest utilization of remote sensing for the estimation of runoffconditions. The method, developed in the US, is tested in this case in Eritrea for the estimation ofpeak discharges and of annual runoff. It includes two phases: a phase of image splitting based onremote sensing and on the assignment of a global parameter to the hydrodynamic behaviour(production coefficient) which is then applied prorata to land cover. The extrapolation ofcalculation methods poses the problem of choosing the CN coefficient, considering that thesecoefficients are used in a context that is different from the one for which they were initiallydeveloped.

Another presentation also covers the issue of the hydrological response of landscape unitsthat are considered to be homogeneous from the hydrological point of view (Viné). The landscapesegmentation phase refers to “hydro-landscapes”, and insists on the hypotheses of models and ofthe choice of segmentation. The space is divided into landscape units that are grouped accordingto a limited number of land cover categories. These categories are defined from the image. Thechoice of categories is based upon the hypothesis of each one having a specific hydrologicalresponse function contribution. Putting in relation the global hydrological response of severalsmall watersheds (on a yearly, quarterly and monthly basis) with the different categories of landuse, the unit response for each category is obtained through a numeric deconvolution scheme,based upon a disaggregation technique. This original analytical method appears well adapted tothe valorization of remote sensing to provide a global value of hydrological response perlandscape unit.


All these approaches put the accent on the uses of remote sensing as a tool for thesegmentation of space and emphasize the uses of this segmentation of space as the initial phasefor the modelling which is made possible by remote sensing, GIS and DEM.

Mapping of parameters that vary over time (water balance)

Remote sensing is also presented as a tool for mapping parameters that vary over time(temperature, humidity) and that are difficult to obtain from the standard network of pointmeasurements. This aspect is particularly interesting as it poses the problem of changing theapproach from point measurements to base surface information.

Two written presentations (Hurtado Santi et al., Chebouni et al.) start from thermal infraredmaps and demonstrate the use of theoretical models in the exchange balance to approach theactual evapotranspiration (ET) by using the differential between radiative and aerodynamictemperatures. The applications were carried out in semi-arid regions of Arizona, the Sahel andcentral Spain. Remote sensing is herein described as a tool for managing spatial information, inthis case the objective being the production of ET maps at a regional level.

Finally, one presentation (Gineste) covers the contribution of ERS radar data to theestimation of soil humidity in a small watershed in France. The results are insufficient to producesoil humidity maps as the calibration of the images is still a major problem. One the other hand,they can provide a relative vision of the dynamics and of the spatial distribution of humidity onthe watershed. The main interest of this approach resides, therefore, in a visualization of temporaland spatial variations of surface moisture defined by hydrological models. These results can beused to validate the models themselves.

Objective segmentation of space - reference to the concept of hydrologically homogenous areas

Streamflow modelling or simply understanding of the hydrological environment systematicallyrefers to the utilization of spatial data as a tool for segmenting land into homogenous areas. Evenif often this tool is not defined as such, it is nevertheless present in most of the presentations.

Remote sensing and GIS appear to be the main tool for segmenting space. Practically all thepresentations that refer to land use include this segmentation phase. Some only present thesegmentation phase and the cartographic results without proceeding to the modelling phase,which is the main link to the environmental mechanisms that are being studied.

Other presentations propose a reflection on the choice and the meaning of homogenousareas: these areas, homogeneous on the images (according to visual aspects), should alsocorrespond to similar functionality according to the theme which is being studied. It is possible toverify (Viné), that visual homogeneity does not guarantee homogenous behaviour.

Segmented data can then be included in a modelling process that is usually the finalobjective: segmentation of space is usually only the initial step of modelling applications.

Hydrological modelling phase

In a spatial approach to streamflow modelling, there is an evident separation into two phases:first the segmentation of space and then the modelling itself. Apart from the implementation ofthese two key phases, a number of presentations have dwelled on their implementation, includingresearch and methodological aspects. Segmentation of space and distributed modelling have in


fact a number of serious problems of validity and interpretation, particularly as they manipulatemultiple plains, an operation that is often simple from a computing standpoint, but very uncertainas far as the meaning and the coherence of results are concerned.

Modelling outside GIS

These are calculations carried out outside of a GIS framework, but whose base data are spatial.Some of the results have been described above. The most effective applications are the simplestand the most typical: hydrological balance or SCS (Soil Conservation Service) models in which arunoff coefficient is applied to each land use.

Two presentations (Nonguierma and Dautrebande, Colombo and Scarfatti) presented theapplications of simple SCS models. Remote sensing is used for the segmentation intohomogeneous areas: an evaluation of CN by areas is proposed, based on the average soiloccupation, with the quantification of the runoff calculated at the rate of each homogenous area.

Another presentation (El Idriss and Persoons), uses a simple and effective conceptualframework (linearity, permanence during a storm of production and transfer functions), tosimulate the hydrogrammes of the maximum flood events for the calculation of structures. As ituses classes of pixels in a isochrone position in relation to the watershed outlet, the structure ofthe grid hydrological model (GHM), enables a quick calculation in comparison to classicaldistributed models. Its application consists in the creation of scenarios to test the influence of theevolution of the physical characteristics of the watershed on the change in flood regime.

The reference to TOPMODEL modelling on the basis of spatial knowledge of relief(Gineste) should also be noted. This is a simplified conceptual model of water tables thatproposes a precipitation-discharge transformation based on the notion of variable contributionareas (during the storm), for calculating flood events. The areas can be defined using theirsaturation index, that is a function of slope and of the surface drained upstream of the consideredpoint. Starting from a digital elevation model (DEM), it is possible to map this index, thencalculate its distribution that enters directly into the modelling. The increasingly easy access toDEM encourages the use of this type of models and valorizes the inclusion of relief inhydrological modelling. As a consequence of the hypotheses on the elementary streamflowprocess, its application is a priori restricted to humid and temperate areas.

Modelling with GIS

Some examples of modelling based on spatial data managed through a GIS are shown both insimple terms (regional hydrological balance constructed with a continental scale GIS, Bousquet etal.) or more complex ones (modelling including production and transfer functions, Faurès). Onepresentation (Perez et al.) illustrates the test of a event distributed modelling tool, the ANSWERSmodel, that runs in a GRASS environment (a GIS software in image mode) to define runoff anderosion in an agricultural catchment. The model requires the initial knowledge of severalparameters, several of which are obtained from field information or from remote sensing, whileothers are obtained by calibration. The application is made simpler by the direct use ofinformation overlays (relief, land cover) in the modelling.

In the combination of overlays obtained from a GIS there is a problem in the interpretationof map results obtained, particularly on the boundaries between homogenous areas. This problem


was raised by a number of participants: at the junction of zones, the variations may appearartificially sudden, while in reality, they are usually gradual.

Even though a number of issues related to precision, validation and interpretation ofcartographic treatment of data with GIS remain to be solved, the results obtained are usuallymore precise, more exhaustive and easier to use that the simple compilation of non systematicpoint measurements. Regardless of the remaining difficulties, the use of GIS is an interestingoption for the extension, extrapolation and interpolation of observation for crossing informationoverlays of differing nature.

Conclusions

Hydrological modelling

In addition to the results themselves, some presentations provided a basis for reflection on morefundamental questions and they concentrate upon the connections between hydrological modelsand spatial information. The analysis of discrepancies between the models and the observations inSahelian region emphasizes the limited precision of the latter. Spatial tools make it easier to takeinto consideration local variations. In particular, remote sensing in its widest sense can be used toexplain the differences between watersheds through the representation of soil occupancy or ofdrainage. It makes it possible to study watersheds in great detail. However, the majority ofhydrological models based on remote sensing assume the linearity and the invariability of theprocess, and this is far from evident.

Remote sensing is presented as a tool for validating hypotheses. Radar images, for example,can be useful for validating or invalidating the hypotheses on the dynamics of moisture in thewatershed. Internal behaviour of watershed can be explained by two spatial elements: morphology(which explains the interest of DEM utilization in modelling) and land cover (from where theinterest in remote sensing). Several models using on or the other of these tools have beendeveloped at different scales.

The connection between spatial descriptors and hydrological indicators is also an importantsubject. It shows the difficulties in associating the visual objects available on the image and theobjects required for hydrology, particularly because each connection is related to scale: thedescription of hydrological processes varies with scale. Therefore, the choice of hydrologicalobjects (homogeneous areas) cannot be limited to one aspect. Their size depends on the objectivesof the study and should be based on a compromise between the consideration of the physicalphenomena underlying hydrological processes and the field data available for the elaboration ofmodels.

In the Sahelian context, each scale needs a specific approach. Mapping runoff potential ispossible at the pixel scale in areas where surface runoff prevails (this is the case for the Sahel)and enables a good comparison between watersheds. However, due to the non linearity ofhydrological processes and to the relative difficulty of representing them at the different scales,the discharge at the outlet of the watershed can only be obtained by the simple addition ofelementary runoff obtained on each pixel. It is necessary, therefore, to work on hydrologicalobjects of larger scale for which runoff measurements do not exist.

Data obtained from remote sensing and DEM now produce an almost continuous flow ofspatial descriptions, which makes it possible to analyse the internal variability of watersheds and


to utilize distributed models to simulate its hydrological functions. However, this shows thedifficulties in applying these models: the current knowledge of internal processes of watersheds isinsufficient to make it possible to use data from remote sensing and DEM in a useful manner. Infact, hydrology, which was developed before the introduction of technologies allowing for thecollection and processing of spatial information, is poorly adapted to the efficient use of the fullpotential or remote sensing and GIS. The empirical methods development for the estimation ofpeak (flood) discharge and annual contributions, barely use spatially distributed information, andgenerally only in a statistical form. If the best possible use is to be made of georeferencedinformation, it is important to undertake the development of new hydrological methods.

At the same time, there is the problem of choosing a model: a physical model based onspatial data, difficult to calibrate and therefore basically unstable, or a conceptual parametricmodel which is easier to calibrate but in which it is harder to explain the physical meaning of theparameters.

All the results presented above have been positive and encouraging. However, the use ofspatial techniques also includes a series of bottlenecks, of failures even. Very important lessonscan be drawn from the analysis of these failures. They help to reflect and are very useful for theidentification of the various constraints. The different presentations and discussions have raised anumber of problems that could explain these difficulties:

Technical problems:

• vision limited to the ground surface Problems related to inappropriate use of tools: • attempts to develop universal tools that is in contrast with the impossibility of correctly

modelling natural phenomena in their geographical variability;• underestimation of the role of validation and field measurements;• use of one technique instead of another without verifying complementarity. Problems related to methodological limitations: • fast development of computers, associated with a slower development of methodologies and

thematic reflections;• spatial approach that is based upon new ways of thinking that are not adapted to the

traditional calculation methods;• problems of scale and change of scale not properly managed; high sensitivity of indicators to

spatial and temporal scales, improper combination of information at multiple scales;• bad selection of the so-called useful indicators. Operational results The different presentations of the workshop cover on the one side operational results and on theother some more general reflections on the methods for treating spatial information for the studyand management of water resources. Among the operational results, we can essentially findsimple cartographic applications, with remote sensing and DEM adding new, pertinent andqualitatively measurable cartographic information. The enormous possibilities in terms of


knowledge of the environment and of surface quantification of specific parameters are easilyunderstood. A lot of hopes are also vested in the use of GIS for the integrated management ofspatial data. On the other hand, the associated models are still at the research stage. The applicability of these approaches is in fact highly variable and can be judged through anumber of criteria such as: • region of application (the value increases in little or poorly known environments);• previous thematic knowledge for validation (importance of field measurements and of

observation on experimental watersheds);• the required precision, determined by the objective of the application;• the ease of application (simple vs. complex, operational vs. research);• combined use of remote sensing, GIS and of classic information sources.

Methodological bottlenecks

The difficulties of using these new tools and these new data appear less and less connected to thetechniques themselves. Through the spectacular evolution of these tools, of numeric data and ofavailable software, cartography and numerical analysis have experienced a remarkabledevelopment. Digital maps produce documents of proven quality and with such improvements tocause a growing unbalance between techniques and conceptualization. The main problem is notthe production of maps, but their analysis, their use and their interpretation for thematicobjectives.

The use of remote sensing and of GIS for the study of water resources makes it possible tointegrate elements of the landscape into calculation algorithms in an increasingly detailed fashion.Their efficient use cannot be obtained other than with a schematization of reality. Nowadays, themain problems reside in this schematization or modelization. It is now essential to orient researchon the utilization of space through the notion of objects and the relationship between objects.

As far as remote sensing per se is concerned, the improvement in utilization should not onlybe expected from an improvement in the technical characteristics (for example better resolution),but also from a better use of the available information. Often the potential resolution becomes toofine in relation to the objective and it might be useful to accept some degradation of the image inorder to obtain the desired results. The search for the optimal resolution, in relation to theobjective of the study should be a more fundamental and systematic preoccupation and become aprerequisite of each application.

Many applications start from the idea that is possible to delimit areas that havehomogeneous hydrological behaviours. The difficulties reside not only in tracing the boundariesof these areas but also in their definition. In fact, it is not easy to choose the criteria to be used forthe definition of these zones, knowing that homogeneity does not correspond to reality. So, it ispossible to match each type of image with a segmentation of space based upon homogeneousunits defined by visual characteristics, but the segmentation of space should also have afunctional meaning related to the studied processes.

On the other hand, the ease of image processing software and of associated applicationspresents a certain danger. It is now possible to classify images in an anarchic fashion, withoutfield checks, without control or relation to the thematic objective. It is possible to rapidly


intersect, combine without validation or control a large number of overlays with different scalesand meanings. There is a real danger of being carried away by the ease of digital maps and not toadvance in the field of their rational utilization.

Promising applications

Among the most operational applications of data obtained from remote sensing, integration withGIS appears to be expanding the fastest, be it for the intersection of overlays, as a tool for thespatial management of multiple data or for the support to hydraulic management of a given area.These applications will continue to develop in the coming years as GIS make it possible toelaborate synthetic cartographic documents, that are the basis of discussion between stakeholdersand therefore essential tools, for example, for the resolution of conflicts on the use of resources.Now, it is known that with the increased uses of water, the number of regions in which thisresource becomes rare also increases. Several communications expressed these preoccupationsand provided examples of applications of GIS to the management of water resources in sudano-sahelian catchments (Traoré).

The interest of data from remote sensing is also strongly demonstrated by the mapping of thevariable parameters of hydrological models, where only point observations were previouslyavailable (moisture, evapotranspiration, temperature). Thus, for certain parameters, there is anevolution in the acquisition of data. Other examples of runoff modelling through spatial modelsprovide encouraging results, notwithstanding all the incertitude that is still associated to these.The specific interest of the new data has been shown particularly by insisting on the associationbetween remote sensing imagery representative of surface conditions and of land cover and theDEM, representing the topographic knowledge of the watersheds.

Finally, the images now offer a surface memory of exceptional events (floods for example).With the increase of the image archives, these can be considered as chronicles of landscapeevolution or of hydrological events on the same level as records of discharge. Applicationsconnected to the use of this data will certainly experience important developments in the future.


Session 1

Télédétection et modélisation hydrologique

Remote sensing and hydrologic modelling

Cette section présente les principaux résultats des travaux entrepris dans le cadre du projet“Crues et apports”. Elle est composée de trois articles : “Les observations au sol”,“Cartographie des états de surface” et “Modélisation hydrologique”.

This section presents the main results of the work carried out in the context of the project“Crues et apports”. It comprises three papers: “Ground observations”, “Mapping of thesurface types” and “Hydrologic modelling”.

Session 128


Les observations au sol

RESUMÉ

En Afrique de l'Ouest, il est généralement estimé que l'amélioration de l'évaluation desruissellements à l'échelle des petits bassins versants viendra d'une meilleure connaissancedes aptitudes des sols au ruissellement (Rodier et al., 1984). Les travaux des hydrologueset pédologues de l'ORSTOM en Afrique de l'Ouest (Casenave et Valentin, 1989) ontmontré que l'aptitude des sols au ruissellement dépendait fortement de leur état de surface,notion qui cumule l'observation de la végétation, du sol et de son organisationsuperficielle.

Or la télédétection satellitaire haute résolution propose actuellement des images au pasd'espace de 20 m (SPOT XS) ou 30 m (LANDSAT TM). La détection est limitée auxcouches superficielles de la surface du sol en l'absence de nuages. L'accès aux couchesinférieures ne peut se faire que par corrélation avec des éléments révélateurs en surface dela texture et de la structure du sol. L'utilisation de la télédétection pour la cartographie desétats de surface nécessite donc la réalisation d'observations au sol permettant de préciser,aux échelles d'observation de l'appareil embarqué à bord du satellite, les principalescaractéristiques des états de surface. Pour ce faire, nous présentons dans cet article uneméthode d'observations au sol des états de surface bien adaptée à l'interprétation et àl'analyse numérique des images satellitaires.

La méthode proposée consiste, pour des bassins versants de superficie supérieure à 10Km2, à réaliser la description au sol des états de surface par blocs contigus de 100*100 m,sur des distances de 2 à 3 km. Les repérages au sol sont effectués par l'emploi d'un GPS(Global Position System). Les observations sont ensuite normalisées et reportées sur destableaux récapitulatifs permettant leur utilisation dans le traitement numérique desimages. Pour des bassins versants de superficie inférieure à 10 Km2, les observations ausol sont effectuées sur des bandes rectilignes longues de 300 à 500 m et larges de 20 m quiprocurent un taux de sondage équivalent et une meilleure précision dans la description desétats de surface.

ABSTRACT

In West Africa, hydrologists think in general that a better estimation of the runoff on smallbasins of the Sahelian zone will come through the knowledge of the runoff capacities ofthe soils (Rodier et al., 1984). A rain simulator was used in West Africa on elementaryareas (1 m2) to measure that runoff capacity. Work carried out by ORSTOM hydrologistsand pedologists (Casenave and Valentin, 1989) has shown that runoff capacity is closelyrelated to the surface types, its plant cover and the soil surface structure.

Jean-Marie Lamachère, Laboratoire d’hydrologie, ORSTOM, MontpellierChristian Puech, LCT CEMAGREF/ENGREF, Montpellier, France

Session 1 : Les observations au sol30

Today, satellite images with 20x20 m2 (SPOT) or 30x30 m2 (LANDSAT TM) resolutionsare easily obtained. In cloudless conditions, those views show only the surface of the earthand its plant cover. To map the lower layers, it is necessary to correlate them with thesurface index which reveals, for example, the soil texture or the soil structure. In thispaper a ground method for observing the surface features in order to map them by meansof remote sensing data is presented.

For small basins (10 to 500 km2), this method proposes the description of the surfacefeatures on strips 100 m wide and 2 to 3 km long, divided into equal 100 m long sections.Use of a GPS (Global Position System) makes good pinpointing possible. The observationsare standardized and tabulated for use in the image processing. For very small basins(smaller than 10 km2), ground observations are made on linear strips 300 to 500 m longand 20 m wide, where descriptions of the surface features are more detailed for a similarrate of sampling.

INTRODUCTION

Il est généralement estimé que l'amélioration de l'évaluation des ruissellements de la zonesahélienne viendra d'une meilleure connaissance de l'aptitude des sols au ruissellement (Rodier etal., 1984). Une des manières de mesurer cette aptitude a été d'utiliser, dans toute l'Afrique del'Ouest, le simulateur de pluies sur des surfaces élémentaires (1 m2). Une description minutieusede l'organisation superficielle des sols et de leur couvert végétal a permis de réaliser une typologiedes surfaces élémentaires en y associant des relations hydro-pluviométriques issues d’opérationsde simulation de pluie. Un ouvrage intitulé "Les états de surface de la zone sahélienne" (Casenaveet Valentin, 1989) synthétise l'ensemble des résultats.

Une méthode complémentaire consiste à utiliser les nouveaux outils de représentation spatialeet, en particulier, la télédétection à haute résolution sur les petits bassins versants des zonessahélienne et tropicale sèche. Pour améliorer l'estimation des apports et des crues des petitsbassins versants des zones sahélienne et tropicale sèche en Afrique de l'Ouest, on associe depuisplusieurs années les nouvelles méthodes cartographiques, par analyse numérique d'imagessatellites, à la caractérisation hydrologique des états de surface.

Dans cet article, nous développerons notamment une méthode de description au sol des étatsde surface proche de celle proposée par Casenave et Valentin (1989), mais adaptée à l'analysenumérique et à la photo-interprétation des images satellite (Lamachère et Puech 1995). Dans unsecond article complémentaire, nous développerons la cartographie des états de surface parutilisation des images satellitaires. Enfin, dans un troisième article, nous utiliserons la carte desétats de surface pour modéliser le comportement hydrologique des sols et déterminer les crues defréquence décennale et les apports annuels à l'échelle des bassins versants.

MÉTHODOLOGIE DE LA DESCRIPTION DES ÉTATS DE SURFACE

Dans les zones sahélienne et tropicale sèche, le paysage, souvent très humanisé, est un amalgamecomplexe d'entités dont la taille, la densité et la répartition varient de façon continue, oudiscontinue, sur de faibles distances. Rares sont les endroits où les limites précises d'ensembleshomogènes sont observées. On y rencontre des zones naturelles composées de savanes plus oumoins arborées, des zones de culture à faible couverture ligneuse, ou des ensembles à densité devégétation variable. Les zones totalement homogènes sur les images satellite (plans d'eau, dunesvives, brûlis, forêts denses) y sont rares. Il était donc nécessaire de mettre au point une méthode


originale d’observation au sol permettant de couvrir l’ensemble des types de paysage et de fournirdes informations utilisables pour la cartographie numérique des images.

Prétraitement de l'image satellitaire et choix de l'échantillon

L'image satellitaire et la carte topographique servent de guide au choix de l'échantillon. Celui-ciest constitué d’un ensemble de points, de lignes ou de sections :

• Les points sont des cercles de 10 à 20 mètres de rayon qui correspondent à un seul pixeld'une image satellitaire.

• Les lignes sont des bandes rectilignes longues de 300 à 500 mètres et larges de 20 mètres quicouvrent des groupes de 15 à 25 pixels.

• Les sections correspondent à des bandes brisées, longues de 1,5 à 2 km et larges de 100 m,couvrant des ensembles de 300 à 400 pixels.

Un prétraitement de l'image permet de définir des classes radiométriquement homogènes (cf.article 2) issues du traitement numérique des images, ou des unités cartographiques résultantd'une photo-interprétation. Cette opération conduit généralement à la définition de 10 à 20 unitéscartographiques différentes qui seront échantillonnées en fonction de leur importance locale ourégionale. Les pistes et les chemins sont rarement visibles sur les images satellitaires. Pour serepérer avec précision sur ces dernières, on réalise un tirage sur film transparent de la cartetopographique de la zone à cartographier, à la même échelle que l'image.

Le type d'échantillon retenu dépend du mode cartographique et de la précision souhaitée dansla description au sol. Pour une cartographie par analyse numérique des images, on choisiral'échantillon sous la forme de lignes ou de sections. Pour une cartographie manuelle,l'échantillonnage par points suffit.

La description au sol des classes radiométriques, ou des unités cartographiques, doit tenircompte de la grande variabilité spatiale de la végétation et de l'occupation du sol. Ellecomprendra donc l'estimation des proportions des différentes composantes de l'état de surface :strates arborée, arbustive et herbacée, types de sols, types d'organisation superficielle du sol etoccupation du sol avec son état cultural.

Choix méthodologiques

Pour transformer une description de la surface du sol en une lame ruisselée, plusieurs démarchessont possibles. Elles sont basées sur le choix préalable de l'échelle de modélisation hydrologiqueen relation avec la possibilité de transformer l'information spatiale en information deruissellement. Elles suivent les étapes suivantes :

1 Choix d'un modèle hydrologique de fonction de production et de son échelle élémentaired'application.

2 Cartographie des zones homogènes d'application d'une même fonction de production.

3 Choix d'un modèle de transfert permettant de reconstituer les volumes ruisselés et leshydrogrammes à l'exutoire du bassin versant.


Le mètre carré est l'échelle d'application des relations hydro-pluviométriques associées à latypologie des états de surface établie en Afrique de l'Ouest par Casenave et Valentin (1989).Nous avons donc choisi le mètre carré comme échelle élémentaire d'application des fonctions deproduction.

Le terme "état de surface" désigne, selon Casenave et Valentin, un système de surfacesélémentaires à un instant donné, système qui constitue un ensemble homogène au sein duquel lesdifférentes parties entretiennent des relations fonctionnelles quant au ruissellement et àl'infiltration. L'état de surface servira donc d'unité pour la cartographie hydrologique à l'échelledes bassins versants.

Pour chaque état de surface, on peut définir une fonction de production, somme des lamesruisselées aux échelles élémentaires. Ce type de fonction de production ne définit pas leruissellement qui sera réellement observé, mais plutôt un potentiel de ruissellement qui seragénéralement supérieur au ruissellement réel.

Il importe donc, pour établir la fonction de production de chaque état de surface, de connaîtreavec une précision suffisante sa composition en surfaces élémentaires. La description des états desurface s’effectuera donc sur le terrain avec ce souci permanent.

En ce qui concerne le modèle de transfert permettant de reconstituer les écoulements àl'échelle des bassins versants, ce problème sera abordé par Christian Puech dans l'article"Télédétection et hydrologie : quelle vision, quelle échelle, quels processus ? "

La description des surfaces élémentaires

Le catalogue des états de surface de la zone sahélienne (Casenave et Valentin, 1989) fournit uninventaire aussi exhaustif que possible des différents types de surfaces élémentaires rencontrées àl'Ouest du continent africain au Sud du Sahara. Il fournit également une méthodologie détailléepour leur description. Nous ne reprendrons ici que l'essentiel nécessaire à la compréhension dudéroulement des opérations de terrain. Pour améliorer l'efficacité des descriptions d'états desurface d'un bassin versant ou d'un groupe de bassins versants, il est indispensable de créer, pourchaque région étudiée, un inventaire des types de surfaces élémentaires rencontrés.

La surface élémentaire (1 m2) est définie comme un ensemble homogène constitué par lecouvert végétal, la surface du sol et son organisation superficielle (Escadafal, 1981, 1989, 1992).L'organisation pédologique superficielle résulte de transformations subies par la surface du solsous l'effet de facteurs météorologiques, phyto-écologiques, fauniques ou anthropiques.

Le couvert végétal

A l'échelle des surfaces élémentaires, seuls les couverts herbacé et cultivé peuvent être observésfacilement. On distingue, en pourcentage de recouvrement, le couvert épigé (vert ou desséché), dela litière. Exprimé en pourcentage de recouvrement, le complément à 100 % du couvert végétaltotal représente le pourcentage de sol nu exposé directement à l'impact des gouttes de pluie.


Le microrelief

Le microrelief, d'amplitude comprise entre 5 et 50 cm, et le nanorelief, d'amplitude inférieure à 5cm, sont observés en fonction de leur amplitude et de leur degré d'obstruction par rapport auruissellement. Ils interviennent principalement dans la classification des sols cultivés.

La mésofaune

L'activité mésofaunique influe sur la porosité des sols. On note essentiellement le pourcentage dela surface occupée par les turricules de vers, déjections rejetées à la surface du sol par les vers deterre, ou par les placages de termites, petits chenaux en terre construits par les termites en quêtede nourriture, pour se prémunir de la lumière.

Le sol

On note la texture du sol dans les 5 à 10 premiers centimètres de profondeur en estimant autoucher le pourcentage des cinq classes granulométriques suivantes : les blocs, cailloux etgraviers de taille supérieure à 5 mm, les gravillons (2 à 5 mm), les sables grossiers (0,2 à 2 mm),les sables fins (50 à 200 microns), les limons et argiles de taille inférieure à 50 microns. Lacouleur du sol est notée à l'état sec et à l'état humide.

La porosité

On distingue :

• la porosité tubulaire résultant d'une activité biologique végétale ou animale,• la porosité de fissure, fentes de dessiccation qui se referment après humectation,• la porosité vésiculaire, formée de petites cavités sphériques enfermant des bulles d'air.

Contrairement aux deux autres, la porosité vésiculaire limite considérablement l'infiltration.Elle occupe donc une place de choix dans la description des organisations pédologiquessuperficielles.

Les principaux types de surfaces élémentaires

La typologie des surfaces élémentaires établie par Valentin (1989) correspond sensiblement àcelle des microhorizons superficiels ou croûtes de surface. Leur clef de détermination est fournieà la figure 1.

La description des états de surface

Pour les bassins de taille supérieure à 10 km2, nous proposons que les observations au sol soienteffectuées par blocs contigus de 100*100 m, sur des sections longues de 2 à 3 km. On étudie de10 à 20 sections par bassin versant, soit un taux de sondage de 10 % pour des bassins de 20 km2

à 1 % pour des bassins de 400 km2.

Pour des bassins versants de superficie inférieure à 10 km2, nous proposons d'effectuer lesobservations au sol sur des bandes rectilignes longues de 300 à 500 mètres et larges de 20 mètres,qui procurent un taux de sondage équivalent et une meilleure précision dans la description


FIGURE 1Clef de détermination des surfaces élémentaires (Casenave et Valentin, 1989)


des états de surface. Les observations sont alors faites sur des blocs contigus homogènes delongueurs variables.

Le repérage au sol des observations

Le positionnement des lignes et des sections est facilité par l'emploi d'appareils de positionnementpar satellite (GPS, Global Position System). On repère l'origine et la fin des lignes ou des sectionspar leurs coordonnées géographiques. La direction générale de la ligne est lue à l'aide d'uneboussole; des jalons servent à y séparer les blocs homogènes et les longueurs des blocs y sontmesurés à la chaîne d'arpenteur. Sur les sections, les directions de chaque bloc de 100 m delongueur sont prises à la boussole. Les observations sont réalisées à partir de pistes carrossablespour des véhicules tout terrain, par des arrêts tous les 200 m repérés au compteur hectométriquedu véhicule.

Deux types d'observations sont effectuées :

• les observations primaires, qui sont constituées par la nature et la densité de la végétation, letype et la couleur des sols, ainsi que par l'occupation du sol. Ces observations servent audécodage primaire des images en trois plans élémentaires : "végétation", "sols" et "occupationdu sol";

• les observations secondaires, qui sont constituées par les pourcentages de recouvrement ensurfaces élémentaires types. Elles servent à déterminer la composition statistique des unitéscartographiques en surfaces-types élémentaires.

Le couvert végétal

On observe successivement la strate arborée, la strate arbustive, la strate herbacée puis le tapisvégétal et les résidus végétaux à la surface du sol. Les strates arborée et arbustive sont observéesde manières différentes selon la densité du couvert. La strate herbacée est observée par son tauxde recouvrement et son type (dense, dispersé, en touffes ou en plaques). Les observationscomplémentaires portent sur les espèces végétales dominantes, la hauteur et le diamètre ducouvert, les distances entre individus, touffes ou plaques.

Le relief

L'observation du mésorelief, d'amplitude supérieure à 50 cm, vient s'ajouter à celle du microreliefet du nanorelief effectuée à l'échelle élémentaire. Le mésorelief est constitué de bombements, dedépressions, de pointements rocheux ou cuirassés, de ravines ou de grandes termitières. On notechaque type de relief, son diamètre basal pour les formes circulaires, sa longueur et sa largeurpour les formes rectangulaires, sa hauteur et sa profondeur par rapport à la surface du sol quil'entoure, la distance moyenne entre les formes, sa répartition spatiale (bandes, stries, réseaux,répartition aléatoire) et leur degré d'obstruction par rapport au ruissellement.

L'érosion

L'érosion éolienne se manifeste par la présence de microrides d'éolisation et par le déchaussementde ligneux. A l'échelle des lignes ou des sections, l'érosion hydrique se manifeste par desmicromarches, produites par le ruissellement en nappe, des protogriffes, des griffes ou desravineaux formés par le ruissellement concentré. L'intensité de l'érosion sera estimée en fonctionde la nature et de l'amplitude des traces d'érosion.


Le sol et son organisation superficielle

La texture du sol est estimée à l'oeil et au toucher en humectant l'échantillon avec une pissette. Lafraction limoneuse est souvent associée à la fraction argileuse. Les affleurements rocheux sontnotés à part avec leur taux de recouvrement. Les profondeurs du sol sont estimées à partir deprofils relevés dans les ravines, les marigots, les fosses ou les puisards villageois.

La répartition des types de surfaces élémentaires est notée par segment homogène de longueurvariable sur les lignes et par segment de longueur fixe (100 m) pour les sections. Lareconnaissance des surfaces élémentaires est associée à la description du couvert herbacé, ducouvert minéral et du microrelief. Lorsque la distribution spatiale des surfaces élémentaires revêtun caractère particulier, propre à influer sur le ruissellement, il est recommandé de schématisercette distribution en dégageant le motif élémentaire et son mode de reproduction (damiers, ilôts,couronnes, bandes).

Les activités humaines et biologiques

L'activité humaine se manifeste principalement par la mise en culture et les travaux culturaux :défrichage, labour, billonnage, sarclage, récolte. Elle se manifeste également par desaménagements hydro-agricoles : diguettes en terre ou en pierres, haies, bandes végétalisées. Horsdes champs, elle s'exprime par les brûlis, la coupe de bois d'oeuvre ou de chauffage, laconstruction de cases, d'écoles, de pistes, de routes ou de terrains de jeux.

Le matériel nécessaire à l'observation des états de surface

Quatre types de matériel sont nécessaires pour réaliser une observation des états de surface d'unbassin versant : un matériel cartographique, un matériel de repérage sur le terrain, un matérielpour la description des états de surface et un matériel de vie en brousse.

Le matériel cartographique

• Les photographies aériennes et les cartes topographiques correspondant à la taille du bassinversant. Pour un bassin versant de superficie inférieure à 100 km2 on utilisera des cartestopographiques au 1/50 000. Jusqu'à 400 km2 un pourra utiliser les cartes topographiques au1/100 000.

• Une composition colorée d'une image satellitaire à la même échelle que la cartetopographique.

• Des crayons gras de couleur rouge et bleue pour écrire sur les photographies aériennes, descrayons de couleur, des crayons à mine en graphite, une gomme, un taille-crayon.

• Une règle graduée pour les repérages sur cartes et photographies aériennes, un rapporteur. Le matériel de repérage sur le terrain

• Un véhicule tout terrain avec un compteur hectométrique (précision d'une centaine de mètres).

• Un GPS permettant un repérage au sol avec une précision d'une dizaine de mètres.

• Une boussole, une montre, un carnet de route.


• Un décamètre, une chaîne d'arpenteur ou un topo fil, une vingtaine de jalons, un niveau degéomètre (ou un tachéomètre) avec son pied et sa mire et un carnet topographique pour leslevés topographiques de précision, si ces levés sont prévus dans le cadre des observations.

Le matériel de description des états de surface

• La partie du catalogue des états de surface de Casenave et Valentin consacrée à la descriptiondes surfaces élémentaires et des états de surface, sous pochettes en plastique transparent.

• Une flore locale pour nommer les arbres, les arbustes et la strate herbacée.

• Un marteau de pédologue, un couteau à large lame, un pinceau, une pissette.

• Plusieurs cahiers d'écolier avec gomme et crayons.

• Un appareil photographique.

Le matériel de vie en brousse

• Un matériel de campement: lit de camp, sac de couchage, moustiquaire et accessoires, tables,chaises, lampes à gaz, torches.

• Un matériel de cuisine : réchaud, bouteilles de gaz, caisse popote, bidons d'eau,ravitaillement.

• Une pharmacie avec les produits indispensables aux premiers soins.

PRÉSENTATION DES OBSERVATIONS

Dans le dépouillement des observations de terrain et leur présentation, on retient celles qui sontsusceptibles d'être utilisées dans les travaux de cartographie et dans l'établissement de la légendede la carte des états de surface.

Le dépouillement

Les observations au sol sont dépouillées relativement au mode d'échantillonnage : points, lignesou sections. Les observations de terrain utilisables dans les travaux de cartographie et de légendedes unités hydrologiques sont : d'une part le repérage des points, des lignes ou des sections, avecla direction des lignes et les changements de direction des sections et, d'autre part, lesinformations suivantes pour chaque point, chaque segment de ligne (de 2 à 50 m) et chaque blocde section (100 m) :

• les taux de recouvrement du couvert végétal (strates arborée, arbustive et herbacée),

• les types de sol avec leurs composantes granulométriques et leurs couleurs,

• le taux de recouvrement des cultures et les modes d'occupation du sol,

• la répartition des types de surfaces élémentaires.

Des tableaux regroupent l'essentiel des observations : tableau 1 pour les lignes, tableau 2pour les sections ; les symboles utilisés sont donnés dans l’encadré.


TABLEAU 1Région de Manga Ligne n° 2 Observations du 27/02/1990

Limites Dis-tances

Couvert ligneux Couvert herbacé Types de surfaces élémentaires

entresegments

enmètres

Arbres en m2

Arbust. en m2

Herbes en %

Litière en %

C 1en %

DES 1en %

VERSen %

GRO 1en %

GRO 2en %

1 - 2 47 155 78 0 10 100

2 - 3 34 154 12 100 100 100

3 - 4 18 0 16 100 100 100

4 - 5 17 20 28 100 100 100

5 - 6 20 0 6 70 80 100

6 - 7 17 0 0 80 90 100

7 - 8 25,5 0 64 90 90 43 57

8 - 9 31 50 56 60 60 70 30

9 - 10 26 50 0 20 20 100

10 - 11 40 118 0 100 100 100

Totaux 275,5 547 260

Moyennes 10 4,7 67 69 17 29 21 20 13

Région de Manga RÉSUMÉ Ligne n° 2

Savane arborée claire sur sols sableux gravillonnaires avec un couvert herbacé très dense.

Couvert arboré : 10 % Couvert herbacé : 67 % Cultures : 17 %

Couvert arbustif : : 5 % Litière : 69 %

Répartition des surfaces élémentaires

C 1 : 17 % GRO 1 : 20 % DES 1 : 29 % VERS : 21 %

GRO 2 : 13 %


TABLEAU 2Région de Manga Section n° 4 Observations du 12/04/1990

Distances Azim. G Couvert végétal Occup. Pent. Type Coul. Type

enmètres

engrades

D Arb.en %

Arbust.en %

Herb.en %

dusol

desol

desurface

000 - 100 155 1 1 Gh 20 Nat 20Cu 80

↑ 3(30)+4(35)+5(35)Fentes 2 à 5 mm

2(100) C 2.1(80)DES 1 (20)

100 - 200 145 1 10 Rh 70 Nat 90 Cu 10

↑ 1(25)+2(10)+3(30)+4(20)+5(15)

1(50)4(50)

DES 1 (100)

200 - 300 140 2 1 Rh 80 Nat 100 + ↑ 1(10)+3(30)4(30)+5(30)

1(100) DES 1 (100)Fe. 2-5 mm

300 - 400 135 8 0 Nat 50 Cu 50

- ↑ 1(15)+2(10)+3(30)+4(20)+5(25)

1(100)2(50)4(50)

DES 1 (50)Fe. 2-5 mmC 3 (50) Bi.

400 - 500 147 8 0 Cu 100 + ↑ 1(5)+2(15)3(30)+4(40)

2(50)4(50)

C 3 (100)Billons

500 - 600 160 12 0 Cu 100 ↑ 1(5)+2(30)3(40)+4(25)

2(50)4(50)

C 2 1 (100)Billons

600 - 700 162 13 0 Hab 10 Cu 90

- ↑ 1(15)+3(25)5(60)

2(50)4(50)

C 1 (50) Bi.C 3 (50) Sa.

700 - 800 175 5 0 Pa. 30 Hab 10 Cu 90

- ↑ 1(15)+3(25)5(60)

2(50)4(50)

C 3 (100)Sar. à plat

800 - 900 175 12 0 Gh 10 Cu 100 - ↓ 1(5)+3(50)4(30)+5(15)

2(100) C 3 (70) .C 1 (30) Bi.

900 - 1000 175 1 3 Nat 60

Cu 40

- ↓ 1(30)+2(30)+3(10)+4(15)+5(15)

1(30)+2(20)+4(25)+5(25)

4(50)5(50)5(100)

GRO 1 (60)C 1 (40)Billons

1000 - 1100 175 21 1 Nat 100

BF 20

↔ 1(40)+2(20)+4(20)+5(20)

1(5)+3(15)+5(80)

4(50)5(50)

DES 2 (100)Fe. 2-5 mmTerm. (20)

1100 - 1200 180 6 25 Nat 100

BF 10

- ↑ 1(40)+2(20)+4(20)+5(20)

1(5)+3(15)+5(80)

4(50)5(50)

DES 2 (100)Fe. 2-5 mmTerm. (20)

1200 - 1300 180 6 15 Nat 70 Cu 30

+ ↑ 1(15)+2(5)+3(20)+4(20)+5(40)

4(50)5(50)

C 3 (30) Bu.DES 2 (70)

1300 - 1400 160 3 7 Cu 100 - ↑ 1(20)+2(10)+3(10)+4(30)+5(30)

4(50)5(50)

C 2.1 (50)C 3 (50)

La synthèse

La synthèse des observations de terrain vise à rendre ces informations utilisables dans lacartographie des états de surface et dans la modélisation hydrologique à l'échelle des unitéscartographiques ou des unités radiométriques de l'image satellitaire.

L'expérience acquise en Afrique de l'Ouest nous permet de proposer comme principaux critèresde classification, dans l'ordre de leur présentation et par zone climatique :

• en zone sahélienne, le type de sol, les sols nus et le taux de couverture herbacée,• en zone soudano-sahélienne, le type de sol, le taux de mise en culture, les sols nus et le

couvert ligneux,• en zone soudanienne le type de sol, le taux de mise en culture et le couvert ligneux.


Symboles et abréviations utilisées

Sur les tableaux récapitulatifs décrivant les sections on utilise les codes, symboles et abréviationssuivants :

Colonne n° 6 : H : herbes Li : litière Gh : grandes herbes Rh : herbes rases : Pa : paille

Colonne n° 7 : Nat : zone naturelle Cu : zone de culture Ja : jachère

Hab : habitations Jar : jardins Mar : marigot Car : carrière

B F : bas-fond Bru : brûlis

Les taux d'occupation du sol sont exprimés en pourcentage de la surface du segment : Nat (50)

Colonne n° 8 : Les symboles utilisés sont assez explicites :

↑ = montée ↓ = descente+ ↓ = descente à pente moyenne - ↓ = descente à pente faible++ ↓ = descente à pente forte ↔ = terrain plat

Colonne n° 9 : Types de sols.

0 : affleurement rocheux 1 : blocs, cailloux, graviers 2 : gravillons3 : sables grossiers 4 : sables fins5 : limons et argiles

1(15) + 2(30) + 3(30) + 4(25) = Sol à 15 % de cailloux et graviers, 30 % de gravillons, 30 % de sablesgrossiers et 25 % de sables fins.

Colonne n° 10 : Couleur du sol en surface

1 : blanc 2 : rose à brun clair3 : rouge brique 4 : brun foncé, rouille 5 : noir 6 : vert

2(50) + 4(50) Sol brun clair et brun foncé en égales proportions.

Colonne n° 11 : Type de surface.

Les abréviations figurant dans cette colonne correspondent à celles qui ont été définies au paragrapheintitulé "Les principaux types de surfaces élémentaires", ou lors de la description des surfacesélémentaires du bassin versant étudié. Quelques abréviations supplémentaires peuvent être utilisées : Bi: billons, Bu : buttes de sarclage, To : toiture en tôle, Co : cour de concession, etc..

Région de Manga, résumé de la section n° 4

Cultures sur sols sableux fins et grossiers sous un faible couvert arboré et arbustif.

Couvert arboré : 7 % Cultures : 56 % Habitat : 1 %Couvert arbustif: 4,4 % Jachères : 43 %

Sols argileux dans les dépressions et les petits bas-fonds.

Couvert arbustif et arboré très inégalement réparti.

Répartition des surfaces élémentaires

C 1 : 08 % DES 1 : 21 % GRO 1 : 04 %C 2.1 : 15 % DES 2 : 18 % C 3 : 34 %


Pour réaliser cette classification, il faut tout d'abord procéder à la rédaction de résumés surles lignes et les sections, ou par groupe de points présentant des caractéristiques à peu prèsidentiques. Les sections étant rarement homogènes sur toute leur longueur, il sera souventnécessaire de couper les sections en ensembles homogènes. Pour chaque ligne et chaque sectionhomogène, ou chaque groupe de points, on réalisera un résumé regroupant l'essentiel desobservations avec le détail de la répartition des surfaces élémentaires. Deux exemples de résuméssont associés à la description de la ligne n° 2 (tableau 1) et de la section n° 4 (encadré) dans larégion de Manga au Burkina Faso.

Des tableaux regroupent ensuite les observations à l'échelle des régions et des bassinsversants et fournissent la répartition des types de surfaces élémentaires pour chaque état desurface en fonction des principaux critères de la classification retenue. Un exemple de ce type detableau est fourni pour les sols sableux fins et grossiers de la région de Manga (tableau 3).

TABLEAU 3Etats de surface des sols sableux fins et grossiers de la région de Manga

Types de Sols sableux fins et grossiers cultivés couvrant

surfaces plus de 75 % de la surface entre 50 et 75 % de la surf. entre 25 et 50 %

élément. KS 1 KS 2 KS 14 KS 4 LS 4 LS 11 KS 10 KS 13

C 1.1 2 1

C 2.1 73 42 16 20 23 63 2 11

C 3.1 20 55 60 38 34 37 23

DES 1 3 4 37 5 33

DES 2 5 18

DES 3 3 18 22 21 36 15

GRO 1 1

GRO 3 4

ST 2 1

ERO 2 2 2 3 5

VERS 1 12 15 13

Couvertligneux

7 6 3 8 11 12 4 9

Jachère 4 3 33 42 43 30 60 68

Cultures 96 97 77 58 56 45 40 32

Un tableau de synthèse regroupe l'ensemble des lignes et sections d'une même région dans laclassification générale des états de surface. Le tableau 4 regroupe ainsi l'ensemble des lignesobservées dans la région de Manga en fonction des deux critères principaux qui sont le type desol et le pourcentage de sol cultivé.

CONCLUSION

L'observation des sols et de leurs états de surface est une phase descriptive indispensable audéveloppement de nouvelles technologies utilisant, à des fins hydrologiques, la télédétection et


TABLEAU 4Classification générale des lignes et sections de la région de Manga

Superficiecultivée

Sols gravillonnairesà graveleux

Sols sableuxfins

Solssablo-

Solslimono-

Solsargileux

sableux argileux et grossiers limoneux argileux vertiques

Supérieureà 75 %

KS 13LL 17

KS 1, KS 2KS 14

LS 6

Entre50 et 75 %

LS 1 KS 14, LS 7LS 4, KS 4LS 9, LS 14

KS 12, KS 9LS 10, LS 3

LS 13

LS 18 KS 11

Entre25 et 50 %

KS 3, KS 7LS 5

KS 10KS 13

LS 3 LS 8KS 8

LL 1LS 2

Entre 0 et 25 %

KS 6, KS13

LL 2

KL 7LS 14

KL16, KS 16LS 16

KL 4, KS 5KL 15, LL

12

les nouveaux outils de représentation géographique que sont les systèmes d'informationgéographique.

Par état de surface, il faut comprendre la couverture végétale, le type de sol, son organisationpédologique superficielle et son état d'humectation. La procédure d'observation des états desurface proposée, inspirée des travaux de Casenave et Valentin (1989), a été normalisée etadaptée à une utilisation pour la cartographie numérique des images satellite, cette cartographiedevant elle-même permettre de caractériser la réponse des sols aux chutes de pluie. L'expérienceacquise en Afrique de l'Ouest (CIEH et al., 1992) nous permet de formuler quelquesrecommandations pour la réalisation de ces observations.

Les observations pédologiques ne peuvent être effectuées correctement qu'en saison sèche,tant pour les profils pédologiques que pour les organisations superficielles. Sur les sols cultivés,elles doivent être complétées par des observations de l'évolution des surfaces, pendant la saisondes pluies, au cours du cycle cultural. En l’absence de ces observations, on procédera à desenquêtes sur les techniques culturales et sur le calendrier des travaux agricoles.

Les observations de la couverture végétale devraient être effectuées à différentes périodesvégétatives, de manière à quantifier les modifications de la strate herbacée en fonction de salocalisation dans le paysage. Elles sont généralement couplées avec les observations pédologiqueset effectuées en cours de saison sèche. Malheureusement, ces dernières ne suffisent pas à donnerun aperçu de la variabilité temporelle du couvert herbacé, variabilité qui peut être très forte enzone tropicale suffisamment humide (de 800 à 1 000 mm).

Au cours de la saison des pluies, l'humidité des sols varie en fonction de la chronique despluies et de la position topographique du sol sur le versant. Elle est rarement observée mais ilserait utile qu'elle le soit, en particulier dans les bas-fonds susceptibles d'engorgement.

Enfin, l'état de surface d'un sol est rarement figé une fois pour toutes. Pour être utilisée à desfins de modélisation hydrologique, la cartographie des états de surface, généralement établie à


partir d'observations effectuées en saison sèche à une date donnée, devra donc être complétée pardes informations portant sur la variabilité saisonnière ou interannuelle, naturelle ou artificielle,des états de surface. C’est cette variabilité qui devra être introduite dans la modélisationhydrologique.

BIBLIOGRAPHIE

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Escadafal, R. 1981. Une méthode nouvelle de description de la surface des sols dans les régions arides.Actes du colloque « Informatique et traitement des données de sols », Paris, 1981. In: Sols, n° 5, pp.21-27.

Escadafal, R. 1989. Caractérisation de la surface des sols arides par observations de terrain et partélédétection. Etudes et thèses, Orstom, Paris, 312 p.

Escadafal, R. 1992. Télédétection de la surface des sols arides. Concepts et applications. In: L’aridité,une contrainte au développement. Caractérisation, réponses biologiques, stratégies des sociétés. E.Le Floc’h, M. Grouzis, A. Cornet, J.C. Bille éds. Coll. didactiques, Orstom, Paris. pp. 105-121.

Lamachère, J.M. et Puech, C. 1995. Télédétection et régionalisation de l'aptitude au ruissellement et àl'infiltration des sols en Afrique sahélienne et Nord-soudanienne. In : Régionalisation enhydrologie, application au développement. Edit. scient. L. Le Barbé et E. Servat. Actes des VIIIes

journées hydrologiques de l'ORSTOM, Montpellier, 22-23 septembre 1992; ORSTOM Editions,colloques et séminaires : 205-228.

Rodier, J., Meunier, M. et Puech, C. 1984. Le point sur les méthodes de calcul des débits de cruesdécennales en Afrique de l'Ouest et centrale. Bull. de liaison du CIEH n°58, Ouagadougou, 2-9.


Cartographie des états de surface

RESUMÉ

En Afrique de l'Ouest, l'utilisation de la télédétection pour la cartographie des états desurface permet d'envisager aisément une extension spatiale de la caractérisation del'aptitude des sols à l'infiltration et au ruissellement. Les mesures hydrologiques effectuéessous pluies simulées dans cette région ont en effet montré l'influence déterminante de troisfacteurs principaux sur le comportement hydrique des sols : le type de sol, le couvertvégétal et l'organisation superficielle du sol (Casenave et Valentin, 1989). A partir desobservations de terrain décrivant les états de surface, la procédure cartographique proposée(Lamachère et Puech, 1995) consiste à réaliser deux décodages des images satellite.

Un décodage primaire définit trois plans thématiques :

• un plan végétation élaboré sur la base de classes de densité du couvert végétal,• un plan sols, différenciant les sols par leur granulométrie superficielle,• un plan occupation du sol, séparant les zones cultivées des zones non cultivées.

Un décodage secondaire permet de caractériser chaque classe radiométrique résultant dutraitement numérique des images, ou chaque unité hydrologique issue d’un croisement destrois plans thématiques dans un système d’information géographique, par leur compositionen surfaces élémentaires types. Pour chaque classe radiométrique, ou chaque unitéhydrologique, le passage des trois variables primaires (sol, végétation, occupation du sol) àla composition en types de surfaces élémentaires se fait par utilisation d'une liaisonstatistique établie à partir des observations de terrain. Cette liaison statistique permet devalider l’hypothèse forte selon laquelle les critères secondaires (composition en surfacestypes élémentaires) sont corrélés de manière stable aux critères primaires. Au cas où ellene le serait pas par la prise en compte des trois critères primaires, il faudrait y ajouter unautre critère suffisamment discriminant, par exemple le relief.

ABSTRACT

In West Africa, the use of remote sensing to map the surface types makes it possible toextend the soils runoff and infiltration capacities on small basins. Hydrologicalmeasurements under rain simulator conditions have shown that three main factors affectthe hydrologic behaviour of the soils : type of soil, plant cover and surface soil structure(Casenave and Valentin, 1989). From ground observations of the surface types, themapping procedure (Lamachère and Puech, 1995) consists of two decodings of the satelliteimages.


Session 1 : Cartographie des états de surface46

A first decoding which defines three thematic plans :

• a vegetation plan with classes of plant cover densities,• a soil plan with grain size distribution classes,• a land use plan separating the cultivated fields from the natural zones.

With a second decoding, it is possible to characterise the composition in elementarysurface types of the radiometric classes resulting from the digital processing of the satelliteimages, or of the homogenous hydrologic units coming from the association of the threethematic plans in a Geographical Information System. For each radiometric class, or eachhydrological unit, the composition in elementary surface types is obtained from the groundobservations by a statistical relationship between these compositions and the three primaryvariables (soil, vegetation and land use). This statistical relationship makes it possible tovalidate the strong hypothesis from which the secondary criteria are correlated in a stablemanner with the primary criteria. For cases in which this is not so, a more discriminatingcriteria such as relief must be added.

INTRODUCTION

A l'issue de la phase de description au sol des états de surface (cf. article 1), nous disposons d'unéchantillon de points, de lignes ou de sections décrivant, à une date donnée, l'ensemble des zonesapparaissant identiques sur l'image satellitaire.

La phase suivante consiste à réaliser une carte des états de surface avec sa légende, opérationpour laquelle nous proposons une procédure bien adaptée à l'utilisation de l'imagerie satellitaire età la cartographie numérique, mais qui peut également être utilisée pour la photo-interprétation.

Nous présentons successivement la cartographie des états de surface par photo-interprétation,en prenant comme exemple le bassin versant de la mare d'Oursi au Nord du Burkina Faso(Lamachère, 1987), puis la cartographie par traitement numérique des images satellitaires enprenant comme exemple le bassin versant du barrage de Louré dans la région de Manga auCentre-Sud du Burkina Faso (CIEH et al., 1992).

La cartographie entièrement numérique aboutit à la création de classes radiométriquementhomogènes. Chaque pixel de l'image satellitaire appartient à l'une des classes définies parl'analyse numérique. La carte des états de surface présente, dans ce cas, un aspect pointilliste. Lalégende de la carte et le fonctionnement hydrologique des états de surface sont alors définis pourchaque classe radiométrique.

La cartographie manuelle, même si elle s'appuie sur une analyse numérique préalable desimages satellitaires, aboutit à la définition d'unités cartographiques ou d'unités hydrologiques"homogènes". La légende de la carte et le fonctionnement hydrologique des états de surface sontalors définis pour chaque unité cartographique.

Dans les deux cas, la modélisation hydrologique des écoulements à l'échelle des versants etdes bassins versants pose des problèmes de saut d'échelle que nous aborderons dans laconclusion.


PRINCIPES FONDAMENTAUX

Les facteurs déterminants du comportement hydrologique des sols

Les mesures hydrologiques effectuées sous pluies simulées en Afrique de l'Ouest ont mis enévidence l'influence déterminante de trois facteurs principaux sur le comportement des sols àl'infiltration et au ruissellement (Casenave et Valentin, 1989) : le type de sol, le couvert végétal etl'organisation pédologique superficielle.

En zone de savane humide (800 < P < 1 600 mm)

La couverture pédologique, la strate herbacée et les organisations superficielles du sol jouent desrôles équilibrés sur l'aptitude des sols au ruissellement et à l'infiltration. Le fonctionnementhydrique des sols y est donc complexe et sujet à des variations saisonnières importantes.

La couverture végétale étant souvent abondante, la cartographie des types de sols se ferasouvent à l'aide d'un modèle numérique de terrain (MNT) auquel on associe une analyse de larépartition des sols selon des toposéquences judicieusement choisies sur le bassin versant pourtenir compte des principaux types de toposéquences.

En zone de savane sèche (400 < P < 800 mm)

La strate herbacée et les organisations superficielles du sol semblent seules déterminer lecomportement hydrodynamique superficiel des sols. Le pourcentage de couverture végétale est leprincipal facteur explicatif du ruissellement et de l'infiltration. Pour une pluviométrie inférieure à800 mm, la couverture végétale étant de faible densité, la cartographie des sols pourra être établiesans utiliser un MNT.

En zone sahélienne sèche (200 < P < 400 mm)

Le couvert végétal herbacé se raréfie; à la fois moins dense et plus fugace, il perd son rôleprimordial au profit des organisations pédologiques superficielles.

En zone subdésertique (P < 200 mm)

Seules les organisations pédologiques superficielles conditionnent l'infiltrabilité des sols.

La procédure cartographique

Dans une première étape, quelle que soit la zone considérée, la cartographie des états de surfaceconsiste finalement à réaliser trois cartes distinctes :

une carte des sols,une carte du couvert végétal,une carte de l'occupation des sols.

Dans une seconde étape, on procède à la caractérisation du fonctionnement hydrologique desclasses radiométriques ou des unités cartographiques en réalisant un décodage secondaire del'image. Ainsi, pour chaque pixel de l'image satellite, ou pour chaque unité cartographique définiepar le traitement de l'image, le passage des trois variables primaires (sol, végétation, occupation


du sol) à la composition en types de surfaces élémentaires se fait par utilisation d'une liaisonstatistique établie à partir des observations de terrain. Ce faisant, nous partons de l'hypothèse queles critères secondaires (composition en surfaces types élémentaires) sont corrélés de manièrestable aux critères primaires dans le contexte du bassin versant étudié. Cette hypothèse forte doitêtre validée. Au cas où elle ne le serait pas, un autre critère suffisamment discriminant devra êtreutilisé, par exemple le relief.

La légende cartographique

Les unités cartographiques sont définies par leurs caractéristiques qui résultent de la synthèse desobservations de terrain (cf. article 1). Ces caractéristiques sont communes à des ensembles depoints, de lignes ou de blocs dans les sections correspondant au mode d’échantillonnage utilisé.La première phase de traitement des données de terrain, exposée dans l’article 1, consiste àregrouper les points, les lignes ou des séries de blocs dans les sections, en fonction de critèrescorrespondant à l'aptitude des sols au ruissellement et à l'infiltration.

La classification des observations de terrain

L'expérience acquise en Afrique de l'Ouest (CIEH et al., 1990) nous permet de retenir l'ordrehiérarchique suivant :

• en zone sahélienne : le type de sol (1), les sols nus (2) puis la mise en culture (3) et le taux decouvert herbacé (4),

• en zone soudano-sahélienne : le type de sol (1), le taux de mise en culture (2), les sols nus (3)et le couvert ligneux (4),

• en zone soudanienne : le type de sol (1), le taux de mise en culture (2) et le couvert ligneux(3).

La légende

Chaque unité cartographique doit être définie par l’association des trois ou quatre caractéristiquesprécédentes et par leur composition moyenne en surfaces élémentaires.

Les tableaux de synthèse des observations (cf. article 1) regroupent déjà, dans des classescroisant les deux à quatre critères précédents, tous les points, lignes et sections présentant lesmêmes caractères et ce regroupement des observations permet d'établir la composition moyenned'une classe en surfaces types élémentaires. Cette composition moyenne équivaut à un diagrammede répartition. Cependant, pour qu'une classe ainsi définie corresponde à une unitécartographique, il est indispensable qu’elle puisse être identifiée sur les photographies aériennesou sur les compositions colorées de l'image satellitaire.

CARTOGRAPHIE PAR PHOTO-INTERPRÉTATION

La cartographie des états de surface par interprétation des photographies aériennes a étédéveloppée par Valentin sur de nombreux bassins versants d'Afrique de l'Ouest. Il y consacre huitpages du Catalogue des états de surface (pages 147 à 154). La cartographie des états de surfacepar photo-interprétation des images satellitaires a été développée par Lamachère (1987) dans larégion d'Oursi, au Nord du Burkina Faso, en zone sahélienne sèche. Celui-ci a établi


manuellement la carte des aptitudes au ruissellement et à l'infiltration des sols de la régiond'Oursi, avant de procéder à une analyse numérique des images SPOT.

Synthèse des observations au sol dans la région d’Oursi

Le tableau 1 synthétise le regroupement des observations au sol effectuées dans la région d’Oursiau cours de l’année 1986 en prenant comme critères du regroupement des lignes :

1. les types de sols, associés à leur position géomorphologique,2. le pourcentage de sol nu encroûté,3. le taux de recouvrement herbacé.

TABLEAU 1Classification générale des lignes observées dans la région d'Oursi

Géomorphologie Butteset massifs

Glacisarénacés

Formationséoliennes

Glacisargileux

Bas-fonds

Sols nusencroûtés à

Couvertherbacé

Sols à élémentsgrossiers

Sols à sablesgrossiers

Sablesfins

Solsargileux

Solsvertiques

moins de 0 à 10 % Erg vif, C 2C 3, C 4

10 % Sup. à 50% B6, B7, B9, B 10O 1, O 2, O 10

B 4

de 10 30 à 50 % O 7, D 1à 20 % Sup. à 50% O 5, O 14, G 1

20 à 30 % 30 à 40 % O 1130 à 50 % 0 à 20 % C 1, O 650 à 60 % 30 à 40 % B 360 à 80 % 20 à 30 % G 5, G 4 O 12 B 580 à 90 % 10 à 20 % K 11 G 2, D 2 B 8 K 3, K 290 à 100 % inf. à 10 % O 13, K 12

D 10D 5, B 2D 7, D 8

K 6, G 3B 1, D 3

On distingue sur ce tableau 18 groupes d’états de surface qui peuvent être ramenés à 13 si ondéfinit des classes de sols nus encroûtés qui correspondent à des écarts de 20% dans lespourcentages de recouvrement, au lieu de 10 % comme c’est le cas dans le tableau 1.

La figure 1 montre la localisation des lignes et des champs sur lesquels ont été réalisées lesobservations au sol. Le tableau 2 présente les 18 types de surfaces élémentaires de la régiond’Oursi et la légende de la carte des états de surface (figure 2) détaille la composition desprincipales unités cartographiques par rapport à ces 18 types fondamentaux de surfacesélémentaires.

Le tracé des unités cartographiques

Le tracé des limites de chaque unité cartographique doit pouvoir être réalisé à partir des seulsdocuments disponibles : relevés de terrain, carte topographique, photographies aériennes, imagessatellitaires, etc. Il est facilité par les relations topographiques entre les différentes unités. Commepour la couverture pédologique, la distribution des états de surface est spatialement ordonnée. Lamise en évidence d'un tel ordre et sa compréhension phénoménologique limitent considérablementles risques d'erreurs.


FIGURE 1Localisation des lignes et parcelles cultivées observées en 1986 dans la région d’Oursi


TABLEAU 2Relations hydrodynamiques des types de surfaces élémentaires sur le bassin versant de la mared'Oursi.

Types desurfaces

Coefficients hydrodynamiques Intensités limitesde ruissellement Principales caractéristiques des

surfaces

élémentaires a b c d Il0 Ilmin

Surfaces élémentaires cultivées

C 1 0,250 0,0050 - 00,042 2,5 50 25 Sols sableux fins après sarclage

C 2 0,390 0,0040 0,010 4,5 20 7 Sols sableux fins 50 mm aprèssarclage

C 3 0,900 0,0010 0,021 6,6 10 5 Sols sableux fins 100 mm aprèssarclage

Surfaces élémentaires à faible activité faunique, sans charge grossière

DES 1 0,100 0,0030 0,010 5,0 50 30 Sols sableux boulants (erg vif)

DES 2 0,300 0,0030 0,010 8,0 30 20 Sols sableux avec 80 % de couvertherbacé

DES 3 0,470 0 0,150 9,8 20 10 Sols sableux, moins de 50 % de couv.herbacé

ST 2 0,90 0,0005 0,020 6,6 15 2 2 micro-horizons

ST 3 0,,85 0,0030 0,010 8,0 22 4 3 micro-horizons

DEC 1 0,861 0 0,154 11,6 10 2 Fort couvert herbacé

DEC 2 0,900 0,0010 0,040 8,1 10 2 Sans couvert herbacé

ERO 1 0,940 0 00,100 7,5 15 1 Sol nu argileux

ERO 2 0,950 0,0010 0,090 9,0 13 1 Sol nu sablo-argileux

ERO 3 0,970 0 0 2,1 2 1 Sol nu sablo-limoneux

ERO 4 0,82 0,0005 0,077 10,5 10 5 Sol nu des micro-buttes éoliennes

Surfaces élémentaires à faible activité faunique, avec charge grossière supérieure à 40 %

GRO 1 0,990 0 0 2,0 - - Granite

GRO 2 0,930 0,0060 0,0011 6,8 10 3 Cuirasse ferrugineuse

GRO 3 0,870 0 0,081 6,1 15 5 Pierres et graviers libres

GRO 4 0,990 0 0,0750 7,9 10 2 Pierres et graviers enchâssés


FIGURE 2Carte des états de surface de la région d’Oursi


LEGENDE DE LA CARTE DES ÉTATS DE SURFACE DE LA RÉGION D’OURSI

Unité 1 (H1) : Sable vif de l'erg récent et champs sarclés sur sables fins très épais.

Champ sarclés avec surfaces élémentaires de type C1.Erg vif avec surfaces élémentaires de type DES1.

Unité 2 (H2) : Sables fins très épais couverts à moins de 10 % de sols nus encroûtés.

Champs C2 et C3, 100 mm de pluies après sarclage (Surfaces élémentaires : 0,7 C2 + 0,3 C3).Lignes B6, B7, B9, B10, D1, G1, O1, O2, O10, O14.Surfaces élémentaires : 0,80 DES2 + 0,15 DES3 + 0,05 ERO3, avec des proportions variables des typesDES2 et DES3 mais une nette supériorité du type DES2.

Unité 3 (H3) : Sables fins de l'erg ancien ou des jupes sableuses, couverts à plus de 10 % et moins de25 % par des sols nus encroûtés. Lignes O5, O7 et O11.Surfaces élémentaires : 0,20 DES2 + 0,55 DES3 + 0,25 ERO3, avec des proportions variables des typesDES2 et DES3 mais une nette supériorité du type DES3.

Unité 4 : Sables fins couverts à plus de 25 % et moins de 50 % par des sols nus encroûtés (H5), ergancien ou jupes sableuses et glacis recouverts à plus de 30 % par des sables fins bien enherbés (H6).Lignes O6, B5, B8, O12 et champ C1.

Surfaces élémentaires sur sables (H5) : 0,10 DES2 + 0,56 DES3 + 0,34 ERO3Sur glacis (H6) : 0,33 DES3 + 0,03 DEC1 + 0,50 ERO1 + 0,05 GRO2 + 0,09 GRO3Sur sables, les sols nus encroûtés sont représentés par le type ERO3. Sur glacis, les types DES2 etDES3 correspondent aux buttes de sable fin éolien.

Unité 5 (H7) : Glacis couverts entre 15 % et 30 % de sables fins bien enherbés.

Lignes G4, G5, K11, D2 et B2.Surfaces élémentaires G5 : 0,20 DES3 + 0,05 GRO1 + 0,35 ST3 + 0,30 ERO1 + 0,10 DEC1Surfaces élémentaires K11 : 0,16 DES3 + 0,65 GRO3 + 0,19 ST3Le type DES3 qui correspond à l’existence de buttes de sable éolien détermine l’aptitude du glacis auruissellement et à l’infiltration.

Unité 6 (H8) : Glacis couverts à moins de 15 % de sables fins.

Lignes D5, D7, D10 et G2.Surfaces élémentaires : 0,08 GRO3 + 0,10 GRO4 + 0,60 ST3 + 0,10 ERO2 + 0,12 ERO4

Unité 7 (H8) : Glacis argileux sur sols bruns sans végétation herbacée ou couvert à plus de 60 % par desgravillons ferrugineux enchâssés dans une pellicule structurale.

Lignes B1, D3, G3, K1, K2, K6Surfaces élémentaires : 0,10 DES3 + 0,15 GRO3 + 0,30 ST3 + 0,40 ERO1 + 0,05 DEC1

Unité 8 (H10) : Les massifs rocheux sont formés de surfaces très hétérogènes constituées de blocsrocheux et de dépôts éoliens ou limono-argileux entre les blocs rocheux.

Unité 9 (H9) : Les bas-fonds sont formés de sols vertiques au comportement hydrologique trèsparticulier. Ces sols sont caractérisés en saison sèche par de larges fentes de retrait (forte perméabilité)qui se referment au cours de la saison des pluies (imperméables). Ligne B4.

Unité 10 : La mare d'Oursi est caractérisée par son plan d’eau très souvent couvert d’une végétationhygrophile (nénuphars, cypéracées, graminées).


FIGURE 3Composition colorée de l’image SPOT du 4/09/1986 de la région d’Oursi


Dans la phase de photo-interprétation, il est nécessaire de s'imposer certaines règlesrigoureuses. Les relations établies entre les points d'observation, les lignes ou les sections, et lestypes de grisés ou l'agencement des couleurs de la composition colorée doivent être énoncées.Cette clef d'interprétation permet de dresser le document cartographique.

Exemple du bassin versant de la mare d'Oursi

Le paysage de la région d'Oursi (figure 3) se subdivise en quatre grands ensemblesgéomorphologiques qui définissent le type de sol (critère 1):

• le système dunaire qui comprend l'erg ancien, l'erg récent et les jupes sableuses,• les massifs rocheux, buttes cuirassées et inselbergs granitiques,• les glacis qui se distinguent les uns des autres par la nature et la taille de leur recouvrement

minéral (pierres, graviers, gravillons, sables),• les bas-fonds, les thalwegs et les mares formant le réseau hydrographique.

La caractérisation visuelle des unités cartographiques

L'examen visuel de l’image SPOT (figure 3), prise dans la région d'Oursi au cours de l'hivernage1986, montre que les grands ensembles géomorphologiques peuvent être décomposés en zonesvisuellement homogènes par leur forme, leur composition colorée et la taille et l’agencement deséléments qui les constituent. Dix unités cartographiques ont été finalement définies par photo-interprétation de l'image SPOT du 4 septembre 1986 (Lamachère, 1987). Elles sont présentées àla figure 2 (unités 1 à 10) sous une forme symbolique et leurs caractéristiques sont consignéesdans la légende associée à cette carte. Cette légende fournit un bref descriptif des unités et lescompositions moyennes en types de surfaces élémentaires des lignes et champs associés à cesunités.

La caractérisation des unités cartographiques peut être énoncée de la manière suivante :

Unité 1 (H1) : La couleur de l'image est homogène, jaune très clair à blanche.

Unité 2 (H2) : La couleur de l'image est jaune rosé avec de petites taches, rouges à grises,dispersées qui représentent le couvert végétal ligneux réparti en petits îlots conférant à l'ensembleun aspect moutonné.

Unité 3 (H3) : La couleur de l'image varie du jaune clair au rouge foncé selon la positiontopographique de la surface et l'abondance du couvert végétal herbacé. L'unité est caractériséepar une ébauche de réseau hydrographique et l'apparition de lignes rouges discontinues.

Unité 4 : Sur l'erg ancien ou sur les jupes sableuses (H5), la couleur dominante de l'image restejaune rosé mais des plaques vertes apparaissent correspondant sur le terrain à l'existence de solsrubéfiés très encroûtés. Sur les glacis (H6), la couleur de l'unité est verte, parcourue denombreuses taches jaunes et roses unies les unes aux autres.

Unité 5 (H7) : Sur les glacis arénacés, aux sols issus de la décomposition des granites, l'image estjaune très clair, légèrement teintée de rose ou parsemée de quelques taches roses discontinues. Surles glacis argileux, aux sols issus de roches métamorphiques ou de roches vertes, elle est vertsombre, parsemée de quelques taches jaunes et roses discontinues.


Unité 6 (H8) : Les taches roses sur les glacis arénacés, jaunes et roses sur les glacis argileux, sontici d'importance plus limitée que sur l'unité 5 et les couleurs tendent à s'uniformiser : jaune clairpour les glacis arénacés et vert sombre pour les glacis argileux et pierreux.

Unité 7 (H8) : L'image est vert sombre uniforme, rayé de traits rouges et continus marquant leréseau de drainage.

Unité 8 (H10) : La couleur est ici presque noire. Les formes sont massives et leurs bordsfestonnés.

Unité 9 (H9) : L'image est rouge foncé à gris foncé. Les formes sont linéaires et filamenteuses, delargeur croissante en direction de la mare d'Oursi près de laquelle elles s'épanouissent en largesbandes.

Unité 10 (H10) : L'image est rouge foncé, localement noire ou bleue. La forme est compacte,allongée avec une orientation Sud-Ouest à Nord-Est.

CARTOGRAPHIE PAR TRAITEMENT NUMÉRIQUE

Méthodologie générale

Chaque objet au sol réfléchit, absorbe ou retransmet une partie de l'énergie solaire qu'il reçoit. Latélédétection passive analyse l'énergie lumineuse réémise par ces objets en fonction de leurscaractéristiques propres. Les capteurs des satellites d'observation de la terre transforment ennuances de gris l'énergie échantillonnée en chaque point de l'image. Cette énergie dépend dudomaine spectral de sensibilité de chaque capteur, et chaque point élémentaire de l'image (pixel)représente une tache au sol dont la dimension est fonction de la résolution géométrique du capteur(100 à 400 m2 pour le satellite SPOT, 900 m2 pour LANDSAT TM).

Les différences d'émission des objets au sol, en qualité spectrale et en intensité radiométrique,permettent de les distinguer. Par référence aux objets reconnus et localisés au sol avec précision,il est possible de réaliser une cartographie thématique en supposant que les mêmes objetsprovoquent le même type d'émission. Une cartographie thématique peut ainsi être élaborée. Parexemple, des objets tels que le sol et la végétation présentent des réflectances (énergie rayonnée /énergie incidente) particulières selon la longueur d'onde incidente, leur état d'humidité, leurcouleur et leur rugosité. En télédétection, le but du traitement d'image est d'utiliser au mieux lesdifférences caractérisant chaque objet pour améliorer sa lisibilité.

Une cartographie thématique doit s'astreindre au respect de certaines contraintes :

• une première contrainte d'indépendance de la méthode vis-à-vis de la région étudiée,• une contrainte d'optimisation du traitement (utilisation de l'ensemble des informations

disponibles),• une contrainte de validation de la cartographie par la reconnaissance des objets,• une contrainte d'évaluation de la validité spatiale de la cartographie (précision et

extrapolation hors de la zone à cartographier).


La contrainte de validation par la reconnaissance des objets au sol nous impose unelocalisation très précise des observations de terrain sur l'image satellitaire. Nous allons donccommencer par décrire cette première opération.

Localisation des lignes et sections

La carte topographique reste un document de base indispensable à toute cartographie partélédétection. Il convient donc de rassembler les cartes topographiques les plus récentes de la zoneà cartographier. Lorsqu'une carte à grande échelle (1/50 000) n'existe pas, il est parfoisnécessaire, pour les bassins versants de superficie inférieure à 50 km2 , d'en faire établir une parphoto-restitution. Les photographies aériennes sont elles-mêmes très utiles pour la localisation desobservations au sol.

Le protocole des observations de terrain est construit de telle sorte que les points et lignessont localisés à proximité de pistes ou de chemins identifiables sur les photographies aériennes etdessinés sur les cartes topographiques. Les sections sont implantées sur des pistes carrossables(cf. figure 1) dont certains tronçons peuvent être reconnus directement sur les images satellitaires.

Le début, ou la fin, d'une ligne ou d'une section est le plus souvent localisé à partir d'un repèrefacilement identifiable sur la carte topographique, la photographie aérienne et l'image satellitaire(croisement de pistes, d'une piste et d'un marigot, bâtiment, construction).

Après un calage de l'image satellitaire d'après la carte topographique, pour tenir compte de ladéformation des pixels due à une inclinaison de l'angle de prise de vue et pour situer le Nordgéographique et le Nord magnétique, il est possible, à partir des coordonnées géographiquesrelevées au GPS (Global Position System), et des directions relevées à la boussole, de faire tracerautomatiquement les lignes et les sections sur l'image satellitaire. Les traçages manuel ouautomatique nécessitent un contrôle de la localisation des lignes et sections par confrontation avecla carte topographique et les photographies aériennes.

Décodage primaire des images

Technique

La technique de classification des images est maintenant très classique. Elle comprend les étapessuivantes :

• La création de néocanaux (indice de végétation, indice de brillance, indice de couleur dessols) permet d'éliminer les effets de paramètres perturbateurs tels que l'effet atmosphérique oul'humidité. A partir des observations au sol, l'indice de végétation peut être directement reliéau couvert végétal ou à la biomasse végétale (figures 4 et 5).

• La constitution de classes radiométriques ayant une signification thématique. Dans ce but,chaque section et chaque ligne sont caractérisées par leur signature spectrale à l'aide desnéocanaux. Les classes radiométriques sont ensuite constituées en fonction du thème qui doitêtre dégagé. La vérification de la cohérence des classes est réalisée sur des nuagesbidimensionnels (figures 6 et 7). La classification proprement dite est faite avec des logicielsde traitement d'image proposant diverses techniques (maximum de vraisemblance, nuéesdynamiques, centres mobiles).


FIGURE 4Régression entre l’indice de végétation (IV) et le recouvrement total de la végétation (RTT)

FIGURE 5Régression entre la phytomasse herbacée (Bio) et l’indice de végétation (IV)


FIGURE 6Représentation numérique des lignes dans le plan des indices de brillance et végétation

FIGURE 7Représentation numérique des lignes dans le plan des indices de brillance et de couleur


FIGURE 8Carte du couvert végétal de la région d’Oursi


• La validation des résultats est effectuée sur des matrices de confusion. Cette opérationcritique peut conduire à une redéfinition des échantillons et à une nouvelle classification. Ellepeut également conduire à une redéfinition des néocanaux.

Pour la cartographie des états de surface, on réalise successivement trois classificationsthématiques qui définissent trois plans:

• un plan "végétation" élaboré sur la base de classes de densité du couvert végétal,• un plan "sols" différenciant les sols par la taille et la nature des éléments à la surface du sol :

cuirasses, affleurements rocheux, blocs, graviers, sables grossiers, sables fins, limons etargiles,

• un plan "occupation du sol" séparant les zones cultivées des zones non cultivées.

Le plan "végétation"

Il est généralement possible de définir cinq ou six classes de couvert végétal. En zones sahélienneet tropicale sèche, le seuil de perception de la végétation est très bas. Dans ces régions, il estpossible de subdiviser les faibles couverts végétaux (0 à 25 %) en sous-classes à très faiblepourcentage de recouvrement (0 à 5 % et 5 à 15 %). Des classes complémentaires (eau, brûlis,massifs rocheux) doivent être définies pour tenir compte des pixels qui sortent de la classificationgénérale propre à la végétation. Ainsi, pour le bassin versant de la mare d’Oursi, sur l’imageSPOT du 4 septembre 1986 nous avons défini les classes suivantes (figure 8) :

• A0, classe hors thème sur laquelle la classification ne peut être appliquée,• A1 avec un taux de recouvrement végétal inférieur ou égal à 5 %,• A2 avec un taux de recouvrement végétal compris entre 5 et 15 %,• A3 avec un taux de recouvrement végétal compris entre 15 et 25 %,• A4 avec un taux de recouvrement végétal compris entre 25 et 50 %,• A5 avec un taux de recouvrement végétal compris entre 50 et 75 %,• A6 avec un taux de recouvrement végétal supérieur à 75 %.

Le plan "sols"

Les types de sols, au nombre de six d'après la codification utilisée pour la description des états desurface, décrivent essentiellement la granulométrie superficielle. Or, sur les relevés de terrain, ladescription de la granulométrie des sols sur les lignes et les sections se présente sous la forme demélanges aux pourcentages connus (75 % de sables fins et grossiers, 20 % de limons et argiles, 5% de gravillons). Des groupes de types de sols ont donc été constitués en conservant les deuxéléments dominants de la description. Dans l'exemple précédent, la codification du groupe seraitla suivante : 75 S - 20 L.

Sur les sections, l'homogénéité des sols a été recherchée sur des longueurs supérieures à 200mètres avec des différences inférieures à 10 % dans les pourcentages granulométriques. Laclassification des observations de terrain conduit généralement à distinguer une dizaine de classesparmi lesquelles un certain nombre seront conservées à l'issue du traitement numérique del'image.


La classification de l'image Landsat du 18 décembre 1988 sur le bassin versant du barrage deLouré (CIEH et al., tome 7, 1990) a permis de distinguer sept classes de types de sols avecquatre classes supplémentaires non reliées directement à un type de sol :

1. les brûlis,2. le plan d'eau en amont du barrage de Louré,3. les cultures irriguées,4. la forêt,5. les sols grossiers, à plus de 70 % de couverture grossière,6. les sols limono-argileux,7. les sols sablo-limoneux (S50 - L50),8. les sols sableux à éléments grossiers (S50 - G50),9. les sols gravelo-limono-argileux avec blocs de cuirasse (BLG),10. les sols gravelo-limono-argileux sans blocs de cuirasse (GL),11. les sols sableux à plus de 70 % de couverture sableuse.

Le plan "occupation du sol"

Dans la description des lignes et des sections, l'occupation du sol est caractérisée par trois termesdifférents : culture, jachère ou nature. La définition théorique des classes est réalisée encombinant ces trois termes deux à deux et en créant des classes à un seul terme si celui-ci couvreau moins 70 % de la surface du sol. On aboutit ainsi à définir neuf classes d'occupation du solauxquelles on peut ajouter la classe habitat si celui-ci occupe des superficies importantes dubassin versant.

A l'issue de la classification numérique de l'image, on ne retient généralement qu'un nombrelimité de quatre à cinq classes différentes qui tiennent compte du type dominant d'occupation dusol. Sur le bassin versant situé en amont du barrage de Louré, quatre classes d'occupation du solont été retenues (CIEH et al., tome 7, 190):

1. cultures,2. nature,3. brûlis,4. plan d'eau en amont du barrage de Louré. Décodage secondaire des images

Cette étape vise à caractériser la composition des classes radiométriques, résultant du traitementnumérique des images, en types de surfaces élémentaires caractérisant le fonctionnementhydrologique superficiel des sols. En partant de l'hypothèse selon laquelle les critères secondaires(composition en types de surfaces élémentaires) sont corrélés de manière stable aux critèresprimaires (sol, végétation, occupation du sol), deux procédures peuvent être utilisées pour ledécodage secondaire de l'image : une utilisation des classifications numériques en combinant lestrois plans élémentaires pixel par pixel ou une cartographie d'unités hydrologiques homogènes, enassociant manuellement ou automatiquement les pixels aux propriétés hydrologiques trèsvoisines.


Classification numérique

Pour chaque pixel de l'image, le passage des trois variables primaires (sol, végétation, occupationdu sol) à la composition en types de surfaces élémentaires se fait par utilisation d'une liaisonstatistique établie à partir des observations de terrain. Cette procédure conduit à caractériser lefonctionnement hydrologique de chaque pixel indépendamment des pixels qui l'entourent.

Cartographie des unités d’états de surface

Cette procédure diffère de la précédente dans la mesure où l'opérateur définit des unitéscartographiques spatialement homogènes au niveau de la restitution cartographique. L'opérationpeut être réalisée manuellement et, dans ce cas, ressemble à une photo-interprétation. Elle peutêtre réalisée avec un logiciel de traitement numérique des images en associant des classesradiométriques aux caractéristiques voisines, comme c’est le cas pour la carte des états de surfacede la région d’Oursi de la figure 9. Elle peut aussi être réalisée en associant les trois plans"végétation", "sols" et "cultures" dans un système d'information géographique (figure 10). Desopérations de dégradation de l'information permettent d'éliminer les pixels isolés, ou les petitsgroupes de pixels, et de rassembler dans une même classe les unités dont les caractéristiquesd’état de surface sont identiques.

Les corrélations définies entre critères primaires et critères secondaires conduisent, à l'issuede cette étape, à associer une composition en surfaces types élémentaires à tout pixel ou à touteunité cartographique. La cartographie des états de surface peut alors être considérée commeterminée. Cependant, l'hypothèse forte selon laquelle les caractères secondaires sont corrélés auxcaractères primaires doit être validée.

Validations

On peut effectuer deux types de validation :

• une validation géographique sur les parcelles d'entraînement, en vérifiant si chaque pixel desparcelles d'entraînement (lignes et sections) se trouve ou non dans la bonne classe,

• une validation statistique sur les parcelles d'entraînement en comparant les histogrammes desparcelles d'entraînement aux histogrammes des classes.

Le tableau 3 présente la matrice de confusion des classes de sols sur le bassin versant deManga au Burkina Faso. Cette matrice montre une excellente identification des unités 1, 2, 3, 4 et8, une assez bonne identification des unités 6, 7 et 10 mais une définition difficile pour les unités9 et 11 et très difficile pour l'unité 5 qui se confond avec les unités 7 et 8.

Une bonne validation géographique entraîne généralement une bonne validation statistique,l'inverse n'étant pas vrai. Lorsque l'échantillon des observations au sol est suffisant, on valideégalement la classification, ou la cartographie, sur des parcelles de contrôle non utilisées commeparcelles d'entraînement. L'utilisation des parcelles de contrôle permet de juger des possibilitésd'extension de la cartographie.


FIGURE 9Carte des états de surface de la région d’Oursi (voir légende de la figure 2)


FIGURE 10Cartographie des états de surface (unités hydrologiques) par association dans un SIG de cartesdes sols, du couvert végétal et des zones cultivés (Estèves, com. Pers.)


TABLEAU 3Matrice de confusion des classes de types de sols sur le bassin versant de Manga, Burkina Faso(CIEH et al., tome 7, 1990).

Pourcentages de pixels bien classés radiométriquementThèmes Composition 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Effec.

1 Brûlis 97,9 0,1 0,4 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 7032 Eau 0,5 98,4 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 3823 Cult. irri. 0,0 0,0 86,3 0,4 0,4 8,4 0,0 0,0 0,0 1,3 0,0 2274 Forêt 0,0 0,0 0,0 92,0 0,0 0,0 0,1 0,0 0,0 6,0 2,0 505 G 0,0 0,0 0,7 0,7 16,1 10,9 36,5 22,6 2,9 6,6 2,0 1376 L 0,0 0,0 6,1 0,0 2,4 77,4 3,0 2,4 1,2 6,7 0,6 1647 SL 0,0 0,0 0,9 0,9 2,4 1,3 67,7 7,5 5,1 5,4 8,6 4678 GS 0,0 0,0 0,0 0,0 1,6 3,2 4,8 87,1 0,0 1,6 1,6 629 BLG 0,0 0,0 0,0 0,0 5,5 1,4 16,4 1,4 53,4 16,4 4,1 7310 GL 0,0 0,0 6,7 0,0 4,4 4,4 8,9 1,5 6,7 62,2 5,2 13511 S 0,0 0,0 0,2 0,4 1,0 2,0 26,2 3,5 1,5 8,9 55,4 202

CONCLUSION

Les résultats obtenus sur la validation des trois plans "sols", "végétation" et "occupation du sol"montrent qu'en zone sahélienne les taux d'erreur sont faibles sur les plans "sols" et "végétation".Par contre, il peut subsister des confusions gênantes sur certains types de sols, comme les solssableux fins éoliens et les sols sableux arénacés de la région d'Oursi, qui n'ont absolument pas lesmêmes aptitudes au ruissellement et à l'infiltration. Sur le bassin versant de la mare d'Oursi,ceux-ci n'ont pu être séparés que par localisation visuelle des nuages de points dans l'espace desnéocanaux à partir d'une image de fin de saison des pluies.

Lorsque la végétation est abondante, la confusion entre classes de végétation, dont lerecouvrement est supérieur à 40 %, est forte; mais elle ne prête généralement pas à conséquencepour la reconnaissance des états de surface. En zone tropicale sèche, sur les bassins fortementcultivés, ce sont les plans "sols" et "occupation du sol" qui présentent les taux d'erreur les plusfaibles. Sur les bassins peu cultivés, le plan "sols" n'est plus utilisable, car le couvert végétalrecouvre totalement les sols et il faut faire appel au relief, moyennant un MNT (modèlenumérique de terrain), pour la reconnaissance des sols.

Afin de cartographier avec une bonne fiabilité les états de surface, il semble nécessaire deprocéder, de manière systématique, à un décodage primaire des images satellite en trois plans :"sols", "végétation" et "occupation du sol". La fusion de ces trois plans permet généralementd'établir une carte des états de surface avec une bonne précision. En zone tropicale sèche, lorsquele couvert végétal est abondant sur le bassin versant, le recours au relief et à la description detoposéquences pour la cartographie des sols devient indispensable.

La cartographie des états de surface constitue la première étape d'une modélisation spatialiséedes ruissellements à l'échelle d'un bassin versant. La seconde étape consiste à tenir compte de lavariabilité spatiale et temporelle des averses. La troisième étape comprend la prise en compte del'évolution temporelle saisonnière des états de surface : développement de la végétation herbacée,travaux culturaux et encroûtement des sols cultivés, engorgement des sols de bas de pente àproximité des bas-fonds. La dernière étape consiste à modéliser d'une part le transfert desruissellements de l'amont des versants jusqu'aux drains, et d'autre part l'écoulement et les pertesdans le réseau hydrographique.

Au vu des résultats déjà obtenus, on peut soutenir avec raison qu'une meilleurecompréhension et une meilleure modélisation des processus hydrologiques à l'échelle des bassins


versants viendront d'observations sur l'évolution des états de surface et de leur comportementhydrodynamique, d'observations à l'échelle des versants aux sols relativement imperméables,perméables et très perméables et de l'analyse des conditions de rétention, d'écoulement etd'infiltration dans les réseaux hydrographiques. La généralisation du traitement des imagessatellite et l'emploi de modèles d'agrégation spatiale utilisant les SIG devraient faciliter lamodélisation de ces processus.

BIBLIOGRAPHIE

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CIEH, LCT CEMAGREF-ENGREF, ORSTOM et BUNASOLS 1990. Utilisation de la télédétectionsatellitaire pour la caractérisation hydrologique de neuf bassins versants au Burkina Faso.

Tome 1 : Bassin versant de Tiébélé.Tome 2 : Bassin versant de Boukouma.Tome 3 : Bassins versants de Gha et Sian.Tome 4 : Bassin versant de Zéguédéguin.Tome 5 : Bassin versant d'Ytenga.Tome 6 : Bassin versant de Nagbangré et oued Bila.Tome 7 : Bassin versant de Louré (Manga).

CIEH, LCT CEMAGREF-ENGREF, ORSTOM et BUNASOLS 1992. Etude hydrologique avectraitement d'images de neuf bassins versants de petits barrages au Burkina Faso.

Tome 1 : Rapport général, 1ère partie, 71 p. et 54 annexes.Tome 2 : Rapport général, 2ème partie : 72-107, 74 annexes.Tome 3 : Annexes méthodologiques : 191 p.

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Puech, C. 1993. Détermination des états de surface par télédétection pour caractériser les écoulementsdes petits bassins versants. Thèse Université Joseph Fourier, Grenoble, 215 p.



Modélisation hydrologique

RESUMÉ

En Afrique de l’Ouest, la description et la cartographie des états de surface permetd’utiliser les relations hydro-pluviométriques du catalogue de Casenave et Valentin (1989)dans la modélisation hydrologique. Ces relations ont été établies à l’échelle du mètre carrépour de fortes averses. Afin d’appliquer ces relations à des averses naturelles, auxintensités faibles et variables, il est proposé ici l’utilisation des concepts de pluie utile et depotentiel de ruissellement. Le passage des potentiels de ruissellement aux écoulementsréels s’effectue à l’aide d’une fonction de calage qui intègre les phénomènes de transfert àl’échelle des bassins versants.

Dans le cadre d’un programme financé par la FAO et exécuté conjointement par le CIEH,l’Orstom et le Cemagref (FAO 1996), cette méthodologie a été appliquée à laprédétermination des crues de fréquence décennale de petits bassins versants des zonessahélienne et tropicale sèche. Les résultats de ces travaux montrent qu’aucun coefficient decalage n’est nécessaire pour les très petits bassins versants imperméables de superficieinférieure à 10 km2. Pour les autres bassins, plus le bassin versant est grand et plus il estperméable, plus faible est le coefficient de calage. Appliquée au cours d’une saison despluies, la même méthodologie permet de modéliser le comportement hydrologique des solsd’un bassin versant en tenant compte de l’évolution temporelle des états de surface(végétation, travail du sol, encroûtement). L’exemple du calcul des apports potentiels,annuels et mensuels du petit bassin versant de Bindé (région de Manga, Burkina Faso)montre qu’il est nécessaire d’établir une fonction de calage dont les paramètres varient aucours de la saison des pluies, afin de rendre compte du fonctionnement hydrologiquecomplexe du bassin versant.

ABSTRACT

In West Africa, description and mapping of the surface features allow for the use of therelationships between rain and runoff at the elementary scale (1 m2) taken from theCasenave and Valentin catalogue (1989). The relationships were established forrainstorms. In order to apply these to showers having low and unsettled rain intensities,concepts of useful rainfall and runoff potentials are proposed here. To change from therunoff potentials to the stream flow it is necessary to use an adjustment function whichintegrates the transfer phenomena to the scale of the basins.

In the framework of the FAO programme carried out by CIEH, Orstom and Cemagref(FAO 1996), this methodology was applied to predetermine the decennial flood on smallbasins in the Sahelian and dry tropical areas of West Africa. The results show that noadjustment coefficient is necessary for very small impermeable basins having a drainagearea smaller than 10 km2.


Session 1 : Modélisation hydrologique70

For other basins, the larger and more permeable they are, the smaller is the adjustmentcoefficient. Applied to the rainy season, the same methodology makes it possible to modelthe soils’ hydrological behaviour on a basin including the temporal evolution of thesurface types (vegetation, tillage or weeding, crusting). Calculations of the annual andmonthly potential runoff on the small basin of Bindé (region of Manga, Burkina Faso)show that it is necessary to establish an adjustment function with variable parametersduring the rainy season, in order to take into account the complicated hydrologicalbehaviour of the basin.

INTRODUCTION

En zone sahélienne, l'amélioration de l'estimation des ruissellements à l'échelle des petits bassinsversants viendra d'une meilleure connaissance des aptitudes des sols au ruissellement (Rodier etal. 1984). L'une des façons de répondre à cette exigence a consisté à mesurer l'aptitude auruissellement des surfaces élémentaires par simulation de pluies, à l'échelle du mètre carré, danstoute l'Afrique de l'Ouest. Une typologie générale a été proposée par Casenave et Valentin sous laforme d'un catalogue : "Les états de surface de la zone sahélienne" (1989). Selon ces auteurs, "leterme état de surface désigne un système de surfaces élémentaires à un instant donné, système quiconstitue un ensemble homogène au sein duquel les différentes composantes entretiennent desrelations fonctionnelles quant au ruissellement et à l'infiltration".

Une autre réponse possible, complémentaire de la précédente, consiste à utiliser les nouveauxoutils de connaissance et de représentation de la surface du sol mis au point grâce à latélédétection, les SIG (système d'information géographique) et les MNT (modèle numérique deterrain). De nombreux chercheurs ont développé l'utilisation des SIG dans la modélisationhydrologique (Kovar et Nachtnebel, 1996) mais peu d'auteurs intègrent la télédétection dansl'analyse des processus hydrologiques (Schultz et Barrett, 1989).

Dans une série de trois articles publiés dans les actes de l’atelier « Télédétection et gestiondes ressources en eau » qui s’est tenu à Montpellier du 29.11 au 1.12.1995, nous exposonsbrièvement l'utilisation de ces nouveaux outils dans les zones sahélienne et tropicale sèche :

• la description au sol des états de surface,• l'utilisation de la télédétection pour la cartographie des états de surface,• la modélisation des lames ruisselées par agrégation des relations hydro-pluviométriques

élémentaires à l'échelle des unités hydrologiques et des bassins versants.

Nous développons également dans le présent article une application de ces nouveaux outils àla prédétermination des lames ruisselées pour les petits bassins versants des régions sahélienne ettropicale sèche. Cette application comprendra :

• la détermination de la classe d'infiltrabilité de la méthode Orstom (FAO, 1996),• la détermination de la lame ruisselée décennale,• la détermination des apports mensuels et annuels sur le petit bassin de Bindé par la prise en

compte de l’évolution des états de surface au cours de la saison des pluies.

TÉLÉDÉTECTION ET HYDROLOGIE

Pour les petits bassins versants, la détermination des caractéristiques hydrologiques est, jusqu'àprésent, essentiellement globale. L'utilisation de données nouvelles, issues des traitements


numériques d'images satellite, ouvre des possibilités multiples soit par l'utilisation des modèlesglobaux existants, par exemple le modèle SWRRB (Arnold et al., 1989) et la méthode du Servicede conservation des sols (US Dept. of Agr., 1985), en améliorant la connaissance des paramètresd'entrée des modèles, soit par l'utilisation de nouveaux modèles conçus pour le traitementd'informations spatialisées, par exemple le modèle MODLAC (Girard, 1982) et le modèler.water.fea (Vieux et Gauer, 1994).

En zone sahélienne

En zone sahélienne, la pluviométrie moyenne interannuelle varie entre 200 et 600 mm. Cette zonepeut être considérée a priori comme favorable à l'utilisation de la télédétection. On y note en effet:

Un contexte géographique et climatique caractérisé par :

• une bonne visibilité sur de longues périodes, due à la rareté du couvert nuageux, même ensaison des pluies,

• une végétation peu abondante et dispersée qui limite l'extension des feux de brousse et permetd'observer la nature des sols.

Un contexte hydrologique marqué par :

• des pluies violentes et de courte durée qui conduisent à la formation de sols nus encroûtés,générateurs de forts ruissellements,

• un fort ruissellement de surface. « Au Sahel, le ruissellement de surface est prépondérant » aécrit Jean Rodier (1992).

De la zone sahélienne humide (de 400 à 600 mm) à la zone sahélienne sèche (200 à 400 mm),le couvert végétal se raréfie et l'organisation pédologique superficielle des sols (croûtes) prend deplus en plus d'importance dans la détermination de l'aptitude des sols au ruissellement et àl'infiltration. Dans ce contexte, le lien entre télédétection et hydrologie va donc se faire sur leconstat que les états de surface, et plus particulièrement les organisations superficielles des sols,sont primordiaux pour la connaissance du ruissellement et la prédétermination des apports àl'échelle des petits bassins versants.

En zone tropicale sèche

En Afrique de l'Ouest, la zone tropicale sèche est comprise entre les isohyètes interannuelles 600et 1 000 mm. Moins favorable que la zone sahélienne à l'utilisation de la télédétection, elleprésente néanmoins un certain nombre d'atouts :

Un contexte géographique et climatique caractérisé par :

• une longue période sèche (novembre à mars) avec une bonne visibilité sur cette période, maisune visibilité plus faible qu'en zone sahélienne au cours de la saison pluvieuse (avril àoctobre),

• une végétation herbacée abondante en saison des pluies qui permet, en saison sèche, ledéveloppement des feux de brousse et leur propagation,

• des pourcentages de terres cultivées très variables d'une région à l'autre, qui peuvent êtrelocalement très importants (de 50 à 60 %).


Un contexte hydrologique marqué par :

• des pluies violentes et de courte durée qui conduisent à la formation de sols encroûtésgénérateurs de forts ruissellements, mais aussi des pluies plus fréquentes et de faible intensitéqui favorisent la croissance du couvert herbacé,

• des crues plus fréquentes qu'en zone sahélienne et des écoulements où l'importance du débit debase, dû à la remontée des nappes aquifères, commence à influencer significativement lerégime des cours d'eau, principalement en fin de saison des pluies.

Le pourcentage de couverture végétale et de mise en culture sont ici les principaux facteursexplicatifs du ruissellement et de l'infiltration. Le couvert herbacé est susceptible de fortesvariations sous l'effet des feux de brousse et de la sénescence périodique. Pour une pluviométrieannuelle inférieure à 800 mm, la couverture végétale ligneuse étant généralement de faibledensité, la surface du sol et sa couverture herbacée sont directement accessibles à l'observationsatellitaire. Dans le contexte tropical sec, le lien entre télédétection et hydrologie va donc se fairesur le constat que les états de surface, plus particulièrement le couvert végétal herbacé et la miseen culture des sols, sont primordiaux pour la connaissance du ruissellement. En ce qui concernela prédétermination des apports à l'échelle des petits bassins versants, des informations surl'écoulement de base des marigots devront compléter celles qui concernent le ruissellement.

Caractéristiques communes aux zones sahélienne et tropicale sèche

En Afrique de l’Ouest, la faiblesse du relief est une caractéristique commune aux zonessahélienne et tropicale sèche. Elle entraîne une grande homogénéité climatique sur l'ensemble desdeux zones et peu de déformations géométriques sur les images satellite.

Le contexte cartographique général est peu précis. Il n’existe encore guère de cartestopographiques au 1/50 000, ce qui peut justifier l'achat d'images spatiales à haute résolution. Lacouverture aérienne est rarement renouvelée, ce qui légitime l'achat d'images satellite récentes.

Dans le contexte sahélien et, par extension, dans le domaine tropical sec, le lien entretélédétection et hydrologie va se faire selon le constat que les états de surface sont primordiauxpour la connaissance des ruissellements. Dans ces deux zones géographiques, toute méthodologieefficace de prédétermination des crues utilisant la télédétection passera donc par une cartographiedes états de surface.

PRINCIPES FONDAMENTAUX

Choix méthodologiques

Pour transformer une description de la surface du sol en lame ruisselée, plusieurs démarches sontpossibles. Elles sont basées sur le choix préalable de l'échelle de modélisation hydrologique, enrelation avec les possibilités de transformation de l'information spatiale en information deruissellement. Nos choix méthodologiques sont les suivants :

1. utilisation des relations hydro-pluviométriques du catalogue des états de surface (échelle 1 m2)comme fonctions de production,

2. cartographie des états de surface par télédétection et utilisation d'un SIG,


3. agrégation des lames ruisselées élémentaires par sommation à l'échelle des unitéscartographiques (classes d'états de surface) et des bassins versants,

4. utilisation d'une fonction de calage pour reconstituer les lames ruisselées à l'exutoire.

Les méthodes proposées ci-après ne concernent que l'estimation des volumes ruisselés (crues).En Afrique intertropicale, ceux-ci constituent pour les petits bassins versants :

• plus de 90% de l'écoulement sous une pluviométrie annuelle inférieure à 600 mm;

• de 70 à 80% de l'écoulement sous une pluviométrie annuelle de 900 mm;

• de 50 à 60% de l'écoulement sous une pluviométrie annuelle de 1 200 mm.

Le calcul des apports repose donc, en zone sahélienne, presque exclusivement sur lasimulation des crues générées par le ruissellement. Par contre, en zone plus humide, le calcul desapports repose aussi sur une connaissance, même sommaire, des fluctuations du débit de base.

La cartographie des états de surface d'un bassin versant est la première étape d'unemodélisation spatialisée des ruissellements. La seconde étape consiste à tenir compte de lavariabilité spatiale et temporelle des pluies. La troisième étape comprend l'intégration del'évolution saisonnière des états de surface, tels que le développement de la végétation, les travauxculturaux ou l'engorgement des sols. En l'absence d'informations spatialisées sur l'évolution deces phénomènes, la modélisation hydrologique ne peut être qu'imparfaite. La méconnaissance despertes par transfert le long des versants et dans le réseau hydrographique constitue par ailleursd'autres sources importantes d'incertitude.

Le comportement hydrologique des états de surface

Les fonctions de production à l'échelle élémentaire

Les types de surfaces élémentaires ayant été soigneusement répertoriés et décrits au cours desobservations au sol, ils peuvent être identifiés dans le catalogue des états de surface de la zonesahélienne. Ce catalogue permet d'associer à chaque type de surface élémentaire i et à chaquepluviomètre n une relation hydrodynamique du type :

Lrn,i = (ai + bi IKn ) Pun,i + ci Ikn - di (1)

où : Lrn,i est la lame ruisselée sur la surface élémentaire i attachée au pluviomètre n,

Pun,i est la pluie utile de la surface élémentaire i attachée au pluviomètre n,

ai, bi, ci et di sont les paramètres hydrodynamiques caractéristiques de la surfaceélémentaire i, de son sol, de sa couverture végétale et de son organisation superficielle,

Ikn est l'indice des précipitations antérieures, correspondant à un indice d'humectation

avec IKn,j = (IKn,j-1 + Pn,j-1 ) e-α T (2)

où : T est l'intervalle de temps en jours séparant les pluies journalières des jours j (Pn,j) et j-1 (Pn,j-1) au même pluviomètre n, et α est un coefficient égal à 0,5 en zone sahélienne.

La pluie utile (figure 1) est définie ici comme la hauteur pluviométrique de l'averse, de duréeT, dont l'intensité IP est supérieure à l'intensité de pluie limite du ruissellement Il, autre valeur


caractéristique de la surface élémentaire, qui varie avec le degré d'humectation du sol (IK) et sonétat de surface :

Pun,i = ΣT (IPn * ∆t) pour IPn > Ili (3)

La formulation mathématique du potentiel de ruissellement de l'unité cartographique u est lasuivante :

PRu = Σn,i (αn,i,u * Lrn,i,u ) avec Lrn,i,u = Lrn,i de la relation (1) (4)

où : PRu est le potentiel de ruissellement de l'unité hydrologique u,

Lrn,i,u est la lame ruisselée de la surface élémentaire i attachée au pluviomètre n surl'unité cartographique u,

αn,i,u est le coefficient de pondération de la surface élémentaire i attachée au pluviomètren sur l'unité cartographique u.

Pour une durée variable au cours de la saison des pluies (une semaine à quelques mois) onpeut associer à chaque unité cartographique (classe d'états de surface), une liste de surfacesélémentaires avec leurs coefficients de pondération correspondant à la composition de chaqueclasse en surfaces types élémentaires types. La composition d'une même classe d'états de surfaceest en effet susceptible d'évoluer au cours de la saison des pluies; cela revient à modifier la listedes surfaces élémentaires types et leurs coefficients de pondération en fonction du développementde la végétation et du calendrier cultural (Lamachère, 1996).

La formulation proposée ci-dessus (relations 1 à 4) est très générale. Elle permet, par lecalcul de la pluie utile, de ne faire intervenir que des intensités pluviométriques susceptibles deruisseler. Elle permet également, si on dispose de plusieurs pluviomètres sur le bassin versant, derattacher les états de surface aux différents pluviomètres en fonction de leur localisation.

FIGURE 1Calcul de la pluie utile pour IL = 10 mm/h


Ainsi calculée, la lame ruisselée doit être considérée comme un potentiel de ruissellement,moyenne pondérée des ruissellements à l'échelle élémentaire. On opère ici un changement d'échelledu comportement hydrologique puisqu'on passe d'une référence implicite de 1 m2 (taille de lamesure en simulation de pluies) au comportement hydrologique d'une surface beaucoup plusgrande, celle d'un versant ou d'une partie de versant. La lame ruisselée à la nouvelle échelle n'estpas la somme des lames ruisselées élémentaires. La plupart du temps elle lui sera inférieure.

Agrégation à l'échelle des bassins versants

A l'échelle des bassins versants, l'agrégation des ruissellements peut être réalisée soit par simplesommation pondérée des potentiels de ruissellement des unités cartographiques composant lebassin versant, soit par utilisation d'une fonction de transfert permettant de décaler dans le tempsl'arrivée des ruissellements à l'exutoire du bassin. Nous ne traiterons ici que de la simplesommation et de l'utilisation d'une fonction de calage.

La cartographie des états de surface d'un bassin versant permet de connaître, au terme de laprocédure de traitement des images, les superficies occupées, sur ce bassin, par les différentesunités cartographiques. A chaque unité cartographique on peut associer un coefficient depondération (βu) correspondant à la surface qu'il occupe sur le bassin versant. La sommepondérée des potentiels de ruissellement (PRu) de toutes les unités fournit une estimation dupotentiel de ruissellement global à l'échelle du bassin versant (PRg), soit :

PRg = Σu (βu * PRu) (5)

La lame ruisselée réelle (LR) est ensuite obtenue par l'utilisation d'une fonction de calage delaquelle on extrait le coefficient de calage (CC) et l'ordonnée à l'origine (B), qui varient au coursde la saison des pluies puisqu'ils représentent les pertes par transfert le long des versants et dansle réseau hydrographique.

LR = CC * PRg + B (6)

Les valeurs du coefficient de calage et de l'ordonnée à l'origine sont obtenues par analyse desrelations entre les valeurs du potentiel de ruissellement et les lames ruisselées observées àl'exutoire du bassin versant, ces relations étant supposées linéaires.

APPLICATION À LA DÉTERMINATION DES CRUES

Prédétermination des crues de fréquence décennale

La principale difficulté et la principale source d'erreurs dans l'utilisation des méthodes Orstom etCIEH, pour la prédétermination des crues de fréquence décennale (FAO, 1996), consiste àdéterminer le coefficient de ruissellement de même fréquence. Il paraît donc judicieux de se servirà cet effet des nouvelles technologies. Dans ce but, Jean Rodier a proposé (1992) de définir lesclasses d'infiltrabilité des petits bassins versants d'Afrique tropicale par le calcul des lamesruisselées pour une pluie utile égale à 50 mm (Pu = 50 mm) et un indice d'humectation égal à 5mm (IK = 5 mm). Mais on peut aussi calculer directement les lames ruisselées correspondant auxpluies de fréquence décennale.


Détermination de la classe d'infiltrabilité

A partir d'un échantillon de petits bassins versants expérimentaux, une correspondance (tableau1) a été établie entre d'une part les lames ruisselées provenant d'une agrégation des lamesruisselées élémentaires à l'échelle desbassins versants et, d'autre part, lesclasses globales d'infiltrabilité définies àpartir des lames ruisselées observées auxexutoires des bassins.

Les classes d'infiltrabilité définies parJean Rodier correspondent à des bassinsversants types caractérisés par desconditions régionales moyennes deruissellement sur les versants et desconditions normales de transfert dans leréseau hydrographique.

Pour tenir compte des conditionsparticulières propres au bassin versantétudié, il conviendra d'utiliser la liste decontrôle associée à la méthode Orstom.Ces conditions particulières concernentl'existence de zones à forte perméabilité à l'aval des versants, de zones endoréiques locales, d'unpourcentage élevé de mise en culture ou d'une dégradation plus ou moins prononcée du réseauhydrographique.

Détermination de la lame ruisselée

Si l'on souhaite calculer directement les lames ruisselées de fréquence décennale à partir descartes d'états de surface, Jean Rodier (1992) propose d'utiliser des coefficients de calage quivarient en fonction de la classe de perméabilité, de la superficie du bassin versant et du taux deremplissage des réservoirs superficiels. Ces coefficients ont été calculés pour des conditionsfavorables au ruissellement, à partir des fonctions de calage (équation 6), en considérantl'ordonnée à l'origine B égale à 0, c'est-à-dire un remplissage maximum des réservoirssuperficiels. Les potentiels de ruissellement (PR) ont été calculés en utilisant les cartes d'états desurface de petits bassins versants aux superficies égales ou inférieures à 20 km2 et les relationshydro-pluviométriques à l'échelle élémentaire figurant dans le catalogue de Casenave et Valentin(1989). Ces coefficients ont été fournis à titre indicatif et provisoire par Jean Rodier.

Sur la seconde ligne de chaque classe de perméabilité du tableau 2, nous avons placé lesvaleurs des coefficients de calage calculés à partir des abaques Orstom (FAO, 1996) présentantla décroissance des coefficients de ruissellement décennaux avec la croissance de la superficie desbassins. A l'exception de la classe RI (relativement imperméable), nous avons pris la même valeurde référence pour les bassins versants de superficie égale à 1 km2. Pour la classe RI, la valeurinitiale de 0,85 nous a paru plus cohérente que la valeur de 0,60 proposée par Jean Rodier.

La décroissance des coefficients moyens de calage avec la taille du bassin versant présenteune analogie évidente avec la décroissance des coefficients de ruissellement décennaux desabaques Orstom. Cette analogie n'a rien de fortuit. Elle est en effet produite par les mêmescauses, c'est-à-dire les pertes par écoulement le long des versants et dans le réseauhydrographique. A priori, ces coefficients de calage devraient conserver une certaine signification

TABLEAU 1Définition des classes d'infiltrabilité de la méthodeOrstom (Rodier 1992)

Lame ruisselée en mmpour Pu = 50 mm et IK

= 5 mmClasse d'infiltrabilité

> 40 Très imperméable (TI)

30-37 Particulièrementimperméable (PI)

24-26 Imperméable (I)

12-18 Relativement imperméable(RI)

6-9 Perméable (P)

1-5 Très perméable (TP)


pour des averses plus modestes que l'averse décennale et subir des variations sensibles au coursde la saison des pluies. En particulier, l'ordonnée à l'origine de la fonction de calage devraitprendre des valeurs négatives en début de saison des pluies.

TABLEAU 2Coefficients moyens de calage entre lames ruisselées simulées et observées.

Classes Modes Coefficients de calage par classe de superficie en Km2

de perméabilité de calcul 1 5 10 20 50 100 200

Particulièrement

imperméables PI

Rodier 1992

Orstom 1995

1,15

1,15

1,05

1,08

-

0,99

0,90

0,87

-

0,74

-

0,54

-

0,44

Imperméable

I

Rodier 1992

Orstom 1995

1,10

1,10

1,02

0,97

-

0,89

0,85

0,85

-

0,62

-

0,53

-

0,44

Relativement

imperméable RI

Rodier 1992

Orstom 1995

0,60

0,85

0,55

0,75

-

0,70

0,45

0,63

-

0,55

-

0,48

-

0,44

Perméable

P

Rodier 1992

Orstom 1995

0,60

0,60

0,50

0,53

-

0,48

0,40

0,36

-

0,28

-

0,24

-

0,20

Très perméable

TP

Rodier 1992

Orstom 1995

0,60-0

0,60-0

0,45-0

0,45-0

-

0,38-0

0,30-0

0,30-0

-

0,23-0

-

0,19-0

-

0,15-0

Validation

L'application de cette méthodologie a donné les résultats consignés dans le tableau 3. Deuxrégions climatiques sont représentées sur ce tableau :

• la zone tropicale sèche (de 850 à 1 200 mm) avec les bassins du Kuo et du Dougo (peucultivés) et le bassin versant de Bindé (très cultivé);

• la zone sahélienne sensu lato (de 150 à 800 mm) avec les bassins versants de Taïma, Polaka,Tchalol (zone sèche peu cultivée) et le bassin versant de Thyssé Kaymor (zone plus humidetrès cultivée).

A partir de ces exemples, il est clair qu'au-dessus d'une superficie de 10 km2 les lamesruisselées calculées par simple agrégation (colonne 7, valeurs brutes) sont nettement surestimées.L'utilisation des coefficients de calage (colonne 8) permet de mieux approcher les valeursobservées. Au-dessous d'une superficie de 10 km2, on peut remarquer que la méthode Orstom,utilisant les classes d'infiltrabilité, ne fournit pas de meilleurs résultats que l'agrégation brute.

A partir des quelques exemples traités, on peut donc présumer que l'utilisation des nouvellestechnologies pour la prédétermination des lames ruisselées de fréquence décennale (ou descoefficients de ruissellement) conduit à des résultats comparables à ceux obtenus par d'autresméthodes. Ils sont même souvent meilleurs. De plus, contrairement aux autres méthodes, letraitement numérique des images satellite fournit des informations spatialisées qui peuvent êtreutilisées hors du bassin où elles ont été recueillies.


TABLEAU 3Lames ruisselées décennales déterminées à l'aide des nouvelles technologies

Lames ruisselées de fréquence décennale en mm

Bassins Superf. Pluie Classe Estim. Abaques Télédétection et agrég.

versants en km2 annuelle

en mm

d'infil.

(*)

à partir

des obs.

Orstom

FAO 1995

Valeurs

brutes

Corrigées

par coeff.

Kuo (BF) 58,9 1 100 RI 15,8 23 31 16,6

Dougo (BF) 158,0 1 100 RI 6,4 21 29 13,3

Bindé (BF) 9,7 950 RI à I 32,0 30 34 24 à 31

Taïma (BF) 104,0 450 I 19,0 14 29 17,0

Polaka (BF) 9,6 450 I 22,0 35 32 30,0

Tchalol (BF) 10,5 450 I 42,0 36 32 30,0

Thyssé (Sen) 16,0 800 RI 20,0 22 28 18,6

(*) Infiltrabilités déterminées par agrégation des lames ruisselées élémentaires pour Pu = 50 et IK = 5 mm; BF = Burkina

Faso, Sen = Sénégal.

APPLICATION À LA DÉTERMINATION DES APPORTS

Variabilité temporelle des états de surface

Deux échelles de temps doivent être considérées pour étudier la variabilité temporelle des états desurface : l'échelle saisonnière et l'échelle pluriannuelle. Nous nous intéresserons ici à l'échellesaisonnière.

Un état de surface est défini par un ensemble de caractères : type de sol, micro-relief etorganisation superficielle, taux d'humectation et couverture végétale. Sur un même site, cescaractères varient en fonction du temps. Le type de sol et sa granulométrie restent les caractèresles plus stables, le taux d'humectation et la couverture végétale étant les caractères les plusinstables.

La variabilité saisonnière du couvert herbacé

Au mois d'avril (ou mai) en zone soudanienne et au mois de mai (où juin) en zone sahélienne,l'apparition des premières pluies, assez fortes et non isolées, déclenche le développement de lavégétation herbacée. Sous réserve que les pluies soient suffisantes, en quantité et en fréquence,pour satisfaire les besoins en eau des jeunes plantes, le couvert végétal herbacé croît plus oumoins rapidement selon la zone climatique, le type de sol et sa position sur le versant.

En zone soudanienne, la croissance du couvert herbacé dépend principalement de la précocitédes premières pluies et de leur régularité. Les observations effectuées au ranch de Nazinga parFournier (1991) montrent que le pourcentage de recouvrement herbacé, compris entre 5 et 20 %après le passage des feux de brousse, croît régulièrement d'environ 20 % par mois, dès lespremières grosses pluies du mois d'avril. Il faut en moyenne trois mois à la strate herbacée pourretrouver un taux de recouvrement supérieur à 80 % sur la plupart des sols et des unités depaysage.


En zone sahélienne, dans la région d'Oursi au Burkina Faso (Claude, Grouzis, Milleville1991), la croissance du couvert herbacé est plus rapide et plus forte sur les sols sableux éoliensque sur les glacis argileux. La phytomasse herbacée atteint son maximum en 40 jours sur les solssableux dunaires et en 50 jours sur les glacis argileux. Le couvert végétal reste faible sur lesglacis, où le maximum de recouvrement est toujours inférieur à 40 % et souvent inférieur à 20 %.Il est nettement plus important sur les sols sableux éoliens où le taux de recouvrement maximalest compris entre 40 et 60 %. Il est très important dans les bas-fonds où son taux derecouvrement dépasse 80 %.

Le tableau 4 (Lamachère, 1996) illustre l'influence du couvert végétal sur l'aptitude auruissellement des sols en région sahélienne et soudanienne.

Les fluctuations du couvert herbacé et l'incidence exacte du taux de recouvrement herbacé surle comportement hydrodynamique des sols sont encore mal connues. La limite inférieure du tauxde recouvrement, au-dessous duquel le couvert végétal herbacé ne semble plus avoir aucun effetsur le ruissellement, se situe autour de 30 %.

La limite supérieure, au-dessus de laquelle une augmentation du taux de recouvrement ne joueplus qu'un rôle mineur, se situe autour de 80 %. Entre ces deux valeurs nous en sommes réduitspour l'instant à des interpolations plus ou moins hasardeuses.

TABLEAU 4Influence du couvert végétal sur l'aptitude au ruissellement

Types desurfaces

Coefficients hydrodynamiques Intensités limitesde ruissellement

Principales caractéristiques des surfaces

élémentaires a b c d Il0 Ils

Zone soudanienne, région de N'Dorola : surfaces élémentaires à faible activité faunique, sans charge grossière

DES 2 0,71 0,0020 0,012 6,5 20 10 Sols sab.-lim. et couvert herbacé inf. à 40 %

DES 3 0,30 0,0030 0,010 8,0 30 18 Sols sab.-lim. et couvert herbacé sup. à 80 %

Zone sahélienne, région d'Oursi : surfaces élémentaires à faible activité faunique, sans charge grossière

DES 2 0,30 0,0030 0,010 8,0 30 20 Sols sableux et couvert herbacé sup. à 80 %

DES 3 0,47 0 0,150 9,8 20 10 Sols sableux, et couv. herbacé inf. à 50 %

ERO 4 0,82 0,0005 0,077 10,5 10 5 Sol sableux nu encroûté des micro-buttes

Les paramètres a, b, c et d correspondent à la relation Lr = (a + b IK) Pu + c IK - d avec IK

= IKj = (IKj-1 + Pj-1) e-α.T , IK étant l'indice d'humectation du sol, et α = 0,5.Il0 correspond àun sol sec (IK = 0) et Ils à un sol très humide (IK = 20).

Le taux d'humectation

Le taux d'humectation des sols est un facteur qui conditionne plus ou moins fortement leuraptitude au ruissellement et à l'infiltration en fonction du type de sol et de son état de surface.

Sur les sols très argileux, avec fentes de retrait en saison sèche, tant que le sol n'est pascorrectement humecté, jusqu'à la fermeture des fentes de retrait, le ruissellement est nul etl'infiltration totale. Dès que les fentes de retrait se sont refermées, ce qui correspondapproximativement à un apport d'eau équivalent à 200 millimètres de hauteur pluviométrique, leruissellement devient maximal, avec des coefficients supérieurs à 80 %.


En zone soudanienne, dès la fin du mois d'août, la remontée du niveau des nappes aquifèresdans les bas-fonds et sur leurs marges peut créer également des conditions locales très favorablesau ruissellement par la saturation superficielle et permanente des sols.

A contrario, sur les sols sahéliens fortement encroûtés, le taux d'humectation du sol joue unrôle marginal sur son aptitude au ruissellement. Au Sahel, il joue un rôle d'autant plus importantsur l'infiltration que la porosité superficielle du sol est ouverte, ce qui correspond généralement àun fort taux de recouvrement herbacé.

Le tableau 4 fournit quelques exemples de variation des coefficients hydrodynamiques avecl'indice d'humectation des sols (IK). Cet indice varie entre les valeurs 0 et 20 mm en zonesahélienne, 0 et 40 mm en zone soudanienne. On peut ainsi constater l'influence non négligeablede l'indice d'humectation du sol sur le ruissellement, et plus particulièrement sur l’intensité depluie limite du ruissellement.

Le micro-relief et l'organisation superficielle des sols cultivés

Valentin (1989) définit trois types de surfaces élémentaires sur les sols cultivés : un type C 1 oùla porosité vésiculaire est inférieure à 5 %, un type C 2 où la porosité vésiculaire est compriseentre 5 et 30 %, un type C 3 où la porosité vésiculaire est supérieure à 30 %. Chaque typecomprend une ou deux variantes selon le couvert végétal, l'amplitude du micro-relief ou la texturedu sol. Ces trois types ne sont en réalité que des situations passagères de l'état de surface d'un solcultivé. La surface d'un sol cultivé suit en effet une évolution qui dépend surtout de l'itinérairecultural, avec son mode de travail du sol, et secondairement des chutes de pluies et de la positiondu sol sur le versant.

Au Nord-Ouest du Burkina Faso, dans la province du Yatenga et la région de Bidi (14 ° delatitude Nord), les observations effectuées sur sols sableux fins (Lamachère, 1991) ont montréque le micro-relief et l'organisation superficielle du sol évoluent sous l'action des gouttes de pluieet du ruissellement, de telle sorte qu'à la suite d’un sarclage butté (type C 1), le type C 2 estobservé après un total pluviométrique de 100 mm tombé en fin de sarclage. Le type C 3 estobservé après un total pluviométrique égal à 200 mm. Nous avons représenté, sur les figures 2 à4, l'évolution des paramètres a, Pi et Il, correspondant à l'expression (1), en fonction de la sommedes pluies tombées depuis le sarclage {S(Pa)}.

L'état des connaissances actuelles sur l'évolution du micro-relief, de l'organisationsuperficielle et du comportement hydrodynamique superficiel des sols cultivés (en fonction del'itinéraire cultural, du type de sol et des chutes de pluie) est encore très fragmentaire dans leszones sahélienne et soudanienne.

FIGURE 2Variations du coefficient a


FIGURE 3Variations du paramètre Pi

FIGURE 4Variations de l’intensité de pluie limite du ruissellement (II)

L'étude la plus récente sur ce thème est consacrée aux sols cultivés du sud Saloum au Sénégal(Perez, 1994). Le rôle joué par cette évolution dans la genèse des ruissellements sur les culturesmériterait un développement plus important des recherches dans cette direction.

MODÉLISATION DE LA VARIABILITÉ SPATIO-TEMPORELLE DES ÉTATS DE SURFACE

Pour modéliser le comportement hydrodynamique des unités hydrologiques, la principaledifficulté consiste à faire varier leur composition en fonction d’une part du développement ducouvert végétal herbacé sur les surfaces naturelles et, de l’autre, des travaux agricoles et deschutes de pluie sur les surfaces cultivées.

Les variations temporelles des états de surface du bassin versant de Bindé (Lamachère,1996), dans la région de Manga, au sud du Burkina Faso, ont été caractérisées par quatre étatssuccessifs pour la végétation herbacée (V0 à V3) et quatre répartitions différentes (CH 0 à CH 3)pour les surfaces cultivées.


Nous avons établi le calendrier suivant pour modéliser le comportement hydrodynamique desunités hydrologiques de ce bassin au cours de l'année 1982 :

• du 18/02/1982 au 11/05/1982 : états V0 et CH0, fortes pluies vers la mi-avril,

• du 12/05/1982 au 05/06/1982 : états V0 et CH1, labours vers la mi-mai,

• du 06/06/1982 au 20/06/1982 : états V1 et CH1, couvert végétal herbacé à 40%,

• du 21/06/1982 au 28/06/1982 : états V1 et CH2, 100 mm de pluies après les labours,

• du 29/06/1982 au 13/07/1982 : états V2 et CH2, couvert végétal herbacé à 60 %,

• du 14/07/1982 au 05/08/1982 : états V2 et CH1, premier sarclage début juillet,

• du 06/08/1982 au 29/08/1982 : V3 et CH2, couvert végétal herbacé à 80%,

• du 30/08/1982 au 31/08/1982 : états V3 et CH3, 200 mm de pluies après le sarclage,

• du 01/09/1982 au 23/09/1982 : états V3 et CH1, second sarclage fin août,

• du 24/09/1982 au 30/10/1982 : états V3 et CH2, 100 mm de pluies après le sarclage.

Les calculs sont effectués à l'aide d'un tableur, en combinant quatre types de tableaux. Lesrésultats de cette modélisation sur le bassin versant de Bindé pour l'année 1982 sont reportés surle tableau 5.

TABLEAU 5Ecoulements mensuels et annuels sur le bassin versant de Bindé en 1982

Mois Mars Avril Mai Juin Juillet Août Sept. Oct. Année

Lame écoulée 0,0 11,4 9,2 6,4 4,0 8,1 19,4 8,0 66,5

Lame ruisselée 0,0 10,9 9,8 6,4 3,2 5,6 10,1 0,9 46,9

Scénario 1 0,0 20,6 11,1 18,5 19,3 23,8 20,4 8,9 122,6

Scénario 2 0,0 20,6 11,1 15,9 14,6 14,2 12,9 5,5 94,8

Scénario 3 0,0 20,6 11,1 12,3 13,1 12,6 10,1 3,7 83,5

Le scénario 1 correspond à une répartition des surfaces élémentaires de début de saison. Lescénario 2 correspond à une répartition des surfaces élémentaires avec évolution du couvertvégétal herbacé. Le scénario 3 correspond à une évolution des surfaces cultivées et du couvertvégétal herbacé.

La comparaison des valeurs figurant au tableau 3 montre que la prise en compte desvariations du couvert végétal herbacé, puis la prise en compte des modifications de la surface dessols cultivés, modifient de manière significative l'estimation des lames ruisselées sur le bassinversant de Bindé, dans le sens d'une amélioration des résultats, sans toutefois nous autoriser ànous affranchir de l'utilisation d'une fonction de calage dont les paramètres varient au cours de lasaison des pluies.

CONCLUSION

L'utilisation de la cartographie des états de surface en zones sahélienne et tropicale sèche permetenfin de sortir du domaine subjectif en ce qui concerne l'appréciation globale de la perméabilité à


l'échelle des bassins versants (Rodier, 1992). Au vu des résultats déjà obtenus, on peut souteniravec raison qu'une meilleure compréhension et une meilleure modélisation des processushydrologiques à l'échelle des bassins versants viendront d'observations hydrologiques à l'échelledes versants et de l'analyse des conditions de rétention et d'écoulement dans les réseaux dedrainage. En attendant les résultats de ces observations, l'utilisation des relations hydro-pluviométriques à l’échelle élémentaire du m2 permet l'introduction, dans les modèleshydrologiques, de l'évolution de l'état de surface des sols au cours d'une même saison des pluies.Il permet également d'envisager, à l'échelle des bassins versants, la modélisation des effets sur leruissellement d'une transformation de la couverture végétale ou de la mise en culture.

L'utilisation de fonctions de calage pour le calcul des lames ruisselées n'est qu'un pis-allermais permet déjà une amélioration significative de l'estimation des crues de fréquence décennalesur les petits bassins versants non jaugés. La généralisation du traitement des images satellite etl'emploi de modèles d'agrégation spatiale utilisant des systèmes d'information géographiquedevraient faciliter l’association des données cartographiques et hydrologiques. L’exemple du petitbassin de Bindé montre cependant qu’avec la méthode proposée une amélioration significative del'estimation des ruissellements passe par la détermination de fonctions de calage en tenant comptede la variabilité saisonnière du fonctionnement hydrologique des bassins.

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Session 2

Gestion des ressources en eau

Water management

Session 286


Approche régionale

Regional approach

Session 288


Gestion intégrée des zones humidesen milieu tropical

Apport de la télédétection à la connaissancehydrodynamique

RÉSUMÉ

L'aménagement progressif des zones humides et côtières du Département de la Guyanesoulève, comme dans beaucoup de régions côtières, des problèmes de gestion de l'espacelittoral, dans un contexte d'une communauté d'acteurs qui peut aller jusqu'au "conflitd'usage". Les recommandations de la Conférence de Rio en 1992 sur la gestion intégréedes zones côtières peuvent être le point de départ d'un "exercice" de réflexion s'appliquantà un contexte géographique spécifique : 320 km de linéaire côtier, 1 270 km2 de zoneshumides à l'ouest de Cayenne dont 5,2 % sont aménagés et une dynamique littorale trèsforte en font une région où il est nécessaire que l'investigation scientifique s'appuie sur uneimportante base de connaissance. Parmi les méthodes utilisées pour mieux décrire les3 000 km2 au total de zones humides du Département, l'utilisation des données detélédétection est un atout majeur : plusieurs programmes, depuis 1987, ont permis deconfronter l'expérience de terrain avec des données non seulement optiques (Spot,Landsat) mais aussi radar (ERS1, projets pilote de l'ESA n° 12).

L'utilisation des données satellite, qui convient parfaitement à la description de ces vastesespaces souvent difficiles d'accès, est intégrée à plusieurs niveaux de la démarche : nousmontrons comment l'on peut analyser le linéaire côtier avec les données radar afin dequalifier, à un instant donné, les échanges entre l'océan et les zones humides. Nousmontrons également comment les données optiques permettent d'aborder le problème de lacartographie thématique et comment celle-ci s'insère dans un problème, plus délicat, dedescription des unités écologiques et de classification des zones humides. Enfin, parl'utilisation dans certains cas particuliers des données radar multitemporelles, il estpossible d'aborder des processus dynamiques en hydrologie des zones humides.

La réflexion est ensuite ouverte sur les méthodes permettant d’obtenir une information surle fonctionnement de la zone humide et de préparer cette information par rapport à unobjectif de gestion intégrée.

ABSTRACT

The progressive development of wetlands in French Guiana, as is the case for manytropical regions, causes problems of land use planning, especially in coastal areas. Thisspecific geographical context is characterized by 320 km of coastline, 1 270 km2 ofwetlands to the west of the town of Cayenne (of which 5.2% are managed), and anunstable shoreline. Wetlands are some of the most unstable and complex ecosystems, and

Marc LointierChargé de Recherche à l' ORSTOM, Maison de la Télédétection, Montpellier, France

Session 2 : Gestion intégrée des zones humides en milieu tropical90

can be very sensitive to human and industrial development. Remote sensing represents avery important tool to obtain a better description of the 3 000 km2 of total wetlands. Since1987, several programs have been able to confront the groundtruth experience with opticaldata (SPOT, LANDSAT), and radar data (ERS1, pilot projects ESA N°12).

Perfectly suited to describe these wide spaces, which are often difficult to access, satelliteimagery is useful at many levels :

• to show how the coastline can be analysed with radar data in order to qualify, at anygiven time, the exchanges of water between wetlands and the ocean.

• optical data are used in thematic cartography to help solve the difficult problem ofecological classification of wetlands. Multitemporal radar data are used, in someparticular cases, to understand dynamical processes in water circulation.

The paper discusses means and methods to describe wetland functioning as a contributionto integrated coastal area planning.

INTRODUCTION

La démarche de gestion intégrée des zones côtières est de par sa nature assez complexe,multisectorielle et multi-acteurs. Parmi les tâches indispensables, il en est une qui revient auscientifique : l'inventaire et l'analyse des systèmes naturels et de leur fonctionnement. Quelle quesoit la méthode de gestion choisie, l'analyse préliminaire des zones étudiées nécessite uneméthodologie d'approche des milieux qui satisfasse à leur connaissance, à leur typologie et, dansla mesure du possible, à leur description systémique.

Les zones humides de la Guyane, situées non loin de la ligne de rivage, font l'objet d’unnombre croissant de projets d'aménagement alors que, par ailleurs, elles sont reconnues, pourcertaines de ces zones en liaison avec l'océan, comme des biotopes indispensables aux cyclesbiologiques d'espèces marines. La crevette Penaeus, par exemple, est une ressource économiqueimportante pour le Département avec 5 000 tonnes pêchées par an (Lhomme, 1992).

L'étude de ces vastes espaces "paraliques" nécessite l'utilisation de données spatialiséesd'origine satellitaire, tant pour la description des milieux que pour leur approche fonctionnelle.Nous exposons dans ce travail les démarches qui ont été employées en vue de réaliser une"gestion intégrée", en utilisant les données optiques et radar ROS (radar à ouverture synthétique),sur la zone côtière du Département de la Guyane.

ZONE D'ÉTUDE : LES ZONES HUMIDES ET LES BASSINS CÔTIERS

Le littoral du Département de la Guyane s'étend sur 320 km, de l'embouchure du fleuve Maroni,frontière avec le Suriname, jusqu'à l'embouchure du fleuve Oyapok, frontière avec le Brésil.

Les zones humides

La zone côtière marécageuse peut être divisée en deux sous-ensembles, séparés par la presqu'îlede Cayenne (figure 1) :


FIGURE 1Situation du Département de la Guyane et partie Nord


• A l'ouest, de Cayenne au Maroni, la bande côtière est étroite (5 à 8 km), comportant denombreux marais côtiers, dont l'ensemble représente une superficie de 1 270 km2.

• A l'est, entre Cayenne et l'Oyapok, on trouvera les deux grands ensembles marécageux deKaw (720 km2) et de la pointe Béhague à la localité de Ouanary (910 km2).

Une des caractéristiques majeures de la plaine côtière de Guyane est la présence de ces vastesespaces situés en arrière de la mangrove de front de mer, dont le fonctionnement est encore peuconnu.

Par ailleurs, ce littoral est soumis à d'intenses phénomènes de dépôts et d'érosion liés autransport des vases de l'Amazone (Prost, 1992 ; Muller-Karger et al., 1988 ; Eisma, 1988),entraînant l'ouverture ou la fermeture vers la mer de ces marais côtiers.

Au total, ce Département possède un ensemble de zones humides couvrant un espace de4 000 km2, dont les échanges avec l'océan sont tributaires du phénomène de sédimentation oud'érosion de la ligne de rivage. Ces écosystèmes ont une alimentation en eau d'origine nonseulement pluviale mais aussi fluviale par les petits bassins côtiers.

Bassins versants côtiers

Outre les grands estuaires qui les traversent, les zones humides sont souvent parcourues etalimentées par le réseau terminal de petits bassins versants qui sont recouverts de savanesexondées et de forêt primaire, et dont la superficie est comprise entre 20 et 200 km2. Les bilanssur ces bassins sont obtenus à partir de mesures hydrologiques (hauteurs, jaugeages) classiques.L'interprétation des mesures est souvent compliquée par des variations de hauteur d'origineocéanique ou du plan d'eau du marais aval (Lointier, 1994).

Les sites d’étude retenus ont concerné l’estuaire du Sinnamary (Prost et al., 1990), la savaneSarcelle dans le marais de Mana (Lointier, 1986) et les deux bassins côtiers de la Passoura et dela Karouabo situés près de la ville de Kourou (Lointier et Rudant, 1994).

MATÉRIELS ET MÉTHODES

Les données satellite utilisées

Une série de données optiques et radar (projet pilote ESA/ppF12 UPMC/BRGM/Orstom) ont étéacquises sur le littoral de la Guyane :

• données SPOT : panchromatique du 28 octobre 1993• données Landsat : 18 juillet 1988• données radar (tableau 1):

ERS1 en bande C en mode standard (PRI). Les orbites sont descendantes, les acquisitions onteu lieu à 14:15 TU, entre avril et décembre 1992

Un fond de carte thématique a été établi pour les sites étudiés en détail, en s'appuyant sur lacarte IGN au 1/25 000 et sur les résultats de traitements de données optiques (Spot, Landsat TM)de 1986 et 1988.


TABLEAU 1Données radar utilisées

Satellite Date Résolution Bande/polarisation Incidence

ERS1(RTM) 9 avril 1992 30 m (pixel=12,5m) C (5,3 GHz) - VV 40 °

ERS1(PRI) 17 avril 1992 id. id. 23°

ERS1(PRI) 3 mai 1992 id. id. 23°

ERS1(PRI) 22 mai 1992 id. id. 23°

Une cartographie globale au 1/100 000 a été réalisée avec les données radar ERS1 afin decouvrir l 'ensemble du littoral.

Mesures de terrain

En l'absence de facilités d'accès, la plupart des prospections ont été faites en canot et à pied dansles savanes et les marais avec une progression souvent lente et difficile, interdisant quasiment lasimultanéité avec un passage satellite. Chaque relevé a été localisé par GPS (Global PositionningSystem) avec une précision de l'ordre de 20 mètres.

Prélèvements d'eau : destinés à déterminer la salinité des eaux rencontrées.

Tous les éléments de terrain ont été reportés sur la donnée SPOT panchromatique (figure 2).

La "gestion intégrée des zones côtières" : le système bassin versant et zone humide

Contexte général de la démarche :

Les objectifs nécessaires à la gestion intégrée des zones côtières sont inspirés des résolutionsissues de la Conférence de Rio (CNUED) en 1992 (A/CONF. 151/26, vol II, p. 145). Il y figurel'objectif de "permettre dans toute la mesure du possible, aux particuliers, aux groupes et auxorganismes d'accéder à une information pertinente et d'offrir les possibilités de consultation et departicipation à la planification et à la prise de décision aux niveaux appropriés".

Trois recommandations viennent compléter cet objectif : • "créer et maintenir des bases de données pour l'évaluation et la gestion des zones côtières, des

mers et de leurs ressources ;• définir des indicateurs socio-économiques et écologiques ;• procéder à des évaluations périodiques de l'environnement sur les zones côtières et marines".

L'approche intégrée transsectorielle développée dans plusieurs travaux (IUCN, 1994; Gilard,1995 ; Abrassart, 1994) propose un plan et un cadre de gestion qui prennent en compte laspécificité et la complexité de chaque site dans les domaines institutionnels et réglementaires ainsique leurs relations avec les différentes composantes du milieu physique. Sans entrer dans lesdétails de cette approche dont la vocation est d'améliorer la méthodologie d'aide à la décision, ilapparaît certaines étapes préliminaires incontournables comme :


• la définition de critères dedescription de l'espace parrapport à une thématique, dansle contexte du problème qui estposé ;

• l'élaboration de règles declassification ou de typologie desmilieux à décrire ;

• la recherche de méthodes dezonage de l 'espace.

Ces étapes dont la solutionconditionne le résultat final, sontsouvent traitées arbitrairement,faute d'éléments spatialisés.

RÉSULTATS

Certains éléments "spatialisés"nécessaires à la description hydro-logique des zones humides sontobtenus par télédétection :

Propriétés biophysiques

Cartographie thématique avec lesdonnées optiques

L'objectif est de rechercher avec cesdonnées une description la plusfidèle possible non seulement deszones humides et de l'occupation dusol, mais aussi des élémentsindispensables à l'hydrologuecomme l'étendue des marais, leszones de bas-fonds à circulation,etc.

Cette démarche classique s'appuie sur les classifications par voie non dirigée réalisées à partirdes données optiques, notamment Landsat TM.

La zone étudiée est un petit bassin versant côtier de 100 km2 à la station de mesure(Karouabo) qui alimente une zone humide possédant peu de relations avec l’océan. Les réalités deterrain sont relativement nombreuses, permettant d’obtenir la validation de la thématiquesuivante :

• eau libre• systèmes inondés avec végétation de surface• savanes (trois classes différentes)

FIGURE 2Report des données de terrain sur les données Spotpanchro (28 oct 1993). Cette zone test constitue une deszone d’entraînement pour la cartographie globale descirculations.


• mangrove (deux classes : adulte et jeune)• palmiers bâche et végétation arbustive de front de mer• forêt• terrains nus ou aménagés

Le retour sur le terrain avec les classements a montré quelques confusions entre la forêtprimaire des zones de forêt inondable et de forêt sur cordon. Par contre, les trois classes obtenuesdans les savanes permettent de bien cartographier les bas-fonds et les principales zones propices àla circulation de l'eau. Enfin, l'importance de l'extension des marais recouverts de végétationaquatique n'est pas mesurable. La biomasse de la végétation de marais est si importante que laprésence d'eau n'est pas détectable.

La complexité de ces milieux se révèle assez grande et leur description ne peut être faite quepar étapes, avec un "retour au terrain" fréquent.

Nous considérerons que la couche d'information biophysique est pertinente pour unethématique simple, ne comportant pas plus d'une dizaine de classes.

L'utilisation d'une donnée SPOT panchromatique de 1993 nous a permis, pour le thèmesavane, d'améliorer la définition du réseau de circulation de bas-fond, principalement à cause dela résolution à 10 mètres (figure 3).

Compléments thématiques avec les données radar

L'utilisation des données radar brutes permet de faire une discrimination des zones d'eau libre, encontraste avec le contexte. Cette information est assez pauvre et s'enrichit par fusionmultitemporelle de plusieurs dates, ou par filtrage spécifique comme GGMAP (maximum aposteriori, Lopès et al., 1993 ; Nezry et al., 1993). Les possibilités de cartographie ont étédémontrées sur ces zones (Lointier, 1993 ; Rudant et al., 1994) avec une thématique évidemmentplus grossière qu'en optique : on distinguera, par exemple, les principales unités de paysagecomme la forêt, les savanes et l'eau libre.

Les données radar actuelles présentent l'avantage de leur acquisition tout temps, complétantles lacunes d'information optique, et surtout d'offrir dans les milieux non forestiers uneinformation originale, de nature géophysique, et qu'il convient encore d'interpréter.

Propriétés dynamiques

Evaluation qualitative du niveau d'échange des zones humides avec l'océan à l'aide desdonnées ERS1

Par degré d'échange, on entend la possibilité "mécanique" de l'eau de mer d’entrer dans les zoneshumides, en arrière du cordon littoral. Une première approche de cette notion a été faite avec lesdonnées Landsat TM de 1988, en exploitant les canaux du spectre "visible" (1, 2 et 3) et enrepérant le nombre d'émissaires côtiers, repérables en mer par leur panache turbide (Travassos,1994).

Les données ERS1 (1992) ont l'avantage de couvrir une grande partie du linéaire côtier et detraduire la rugosité du milieu. Nous avons pu analyser, à la faveur des acquisitions à marée


basse, 230 km de côtes, du marais de Kaw au fleuveMaroni. L'observation de terrain à pied et lors desurvols aériens à basse altitude, confrontée auxinformations radar, permet de définir quatre classes :

• pas d'échange : présence de bancs de sable littoral"interdisant" l'intrusion océanique (signalrétrodiffusé faible et aspect rectiligne et étroit de laligne de côte) ;

• échange faible : mangrove adulte en cours dedestruction, peu de passages dans le cordonsableux consolidé en arrière de la mangrove (signalrétrodiffusé fort et aspect de la côte dentelé) ;

• échange moyen : banc de vase et mangrove jeuneplus propice aux ruptures de cordon (signal absentsur bancs de vase) ;

• échange fort : marais ouvert à l'océan (signalrétrodiffusé fort et étalé au contact avec l'océan).

FIGURE 3Carte des drains et des sens de circulation dans les savanes et les marais côtiers de laKarouabo. Interprétation des données Landsat TM et Spot panchromatique d’après les donnéesde terrain.

TABLEAU 2Evaluation qualitative du niveaud'échange des zones humides avecl'océankm cumulés catégorie long km10,2 3 10,222,9 2 12,727,9 3 5,135,1 2 7,155,4 3 20,370,6 2 15,296,0 2 25,4108,2 3 12,2113,3 4 5,1136,1 2 22,9148,8 1 12,7162,6 3 13,7170,2 4 7,6176,8 2 6,6186,9 1 10,2190,0 3 3,0212,9 1 22,9223,0 3 10,2233,2 1 10,2


La mesure des longueurs concernées nous permet de dresser le tableau 2. Les résultatsglobaux obtenus sont les suivants :

classe longueur (km) pourcentage1 56 242 90 38,63 75 324 13 5,4

On constate globalement qu'un quart du linéaire analysé serait sans échanges avec l'océan, etque la présence des marais complètement ouverts à la mer sont peu nombreux (5,4%). Cesrésultats permettent de proposer un premier critère de caractérisation des zones humideslittorales, fondé sur une information de type "niveau d'échange".

Cartographie d' événements hydrologiques

Une série de données ERS1 obtenues à pas de temps assez court (3 semaines), en 1992, ont étécomparées aux données hydrologiques des bassins versants de la Karouabo (Lointier & Rudant,1994). Ce travail a permis d'obtenir une cartographie locale contenant une information de typedynamique et spatialisée (figure 4). On obtient ainsi une "légende" comportant un termetemporel : stockage permanent, saisonnier, mensuel et à l'échelle de la crue.

Ce type de document nous permet d'aborder une description fonctionnelle des zones humideset de proposer, à partir d'études de cas particuliers, des concepts plus génériques.

Schémas de fonctionnement des zones humides

L'ensemble des informations (hydrologiques, spatialisées, dynamiques spatialisées) permet deproposer trois cas génériques de fonctionnement des zones humides :

• zone humide ouverte à la mer (figure 5) : La prédominance marine s'exprime sur un réseau dedrainage bien marqué, réutilisé en cas de fortes pluies. Ce système est en relation avec lesplans d'eau saumâtres voisins qui subissent les effets dynamiques (variation de hauteur) etmécaniques (flux et reflux) de la marée. Le marais d'eau douce intérieur est indépendant de cesystème;

• zone humide avec échanges océaniques très réduits (figure 6) : Les eaux douces s’accumulentle long des cordons sableux, privilégiant les circulations latérales. Ces zones sont hors del’influence de la marée. La communication avec l’océan s’effectue, lorsque le débit estimportant, par des chenaux, à l’aval des bassins versants. Ces zones sont de petits estuairessous influence dynamique et mécanique de la marée;

• zone humide en relation avec un estuaire (figure 7) : Les eaux douces continentales alimententun système de savanes inondées temporairement ou en permanence. Celles-ci subissentuniquement l’effet dynamique de la marée.


CONCLUSION

La description du milieu physique et de ses caractéristiques hydrologiques conduit dorénavant àconsidérer l'information spatiale dont nous disposons par satellite comme un moyensupplémentaire, de type "géophysique" (cf. radar), d’obtenir une information spatialisée sur lescaractéristiques des zones étudiées. L'analyse de ces données nécessite un retour au terraintoujours indispensable, ainsi que l'exploitation des mesures traditionnelles (hauteurs, débits).

L'approche spatialisée en hydrologie des zones humides nous a permis de montrer quel'information obtenue comporte trois niveaux informatifs :

• la cartographie précise et géoréférencée des limites des grandes unités naturelles (plans d'eau,savanes, marais) et du réseau de circulation de l'eau;

• la cartographie qualitative de certaines relations entre les zones humides et leur environnement("perméabilité" aux processus océaniques);

• la cartographie de certaines réponses du milieu (par l'approche multitemporelle), permettantd'introduire une dimension dynamique dans la description de ces zones (réponse à unévénement, à une série ou à l'ensemble de la saison des pluies).

FIGURE 4Interprétation des données radar multitemporelles. Le croisement avec les donnéeshydrologiques permet de réaliser un document contenant une information de type dynamique etspatialisée.


Ces caractéristiques spatialisées, propres au milieu, sont autant de plans d'information qui sontintroduits dans la démarche de classification en unités fonctionnelles (Brinson, 1994). Ladémarche conventionnelle de classification de l'espace, qui est de type "systématique" par larecherche d'une typologie des zones humides, doit être enrichie par une connaissance desfonctions hydrologiques de chaque unité localisée par l'approche spatialisée. C'est à cettecondition que l’on pourra proposer une classification de l’espace de type hydrologique et associercette information aux autres thématiques pour réaliser l’approche intégrée du milieu naturel et sagestion.

FIGURE 5Zone humide ouverte à la mer


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FIGURE 7Bassin versant et zone humide associée en relation avec un estuaire


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Evaluation régionale des ressources en eauau moyen d’un système d’information

géographique: le cas du bassin du Niger

RÉSUMÉ

L’article présente une méthode pour l’évaluation régionale des ressources en eau à l’aide d’unsystème d’information géographique. La méthode est testée sur le bassin du Niger. L’articlemontre comment un SIG peut être couplé avec des modèles hydrologiques simples pour simulerles principaux processus hydrologiques à l’intérieur d’un grand bassin. L’utilisation desinformations existantes (couvertures SIG, données hydrologiques) est faite de manière àpermettre une généralisation spatiale de l’information hydrologique existante. L’objectif final dumodèle est de servir d’outil pour la planification des ressources en eau à l’échelle régionale enpermettant, entre autres, d’évaluer les échanges entre entités administratives ou politiques.

ABSTRACT

The paper presents a method to compute regional information on water resources, using ageographic information system. A test study of a regional approach towards assessment of waterresources was carried out using Arc-Info on the Niger river basin. The paper shows how GIScan be coupled with simple hydrologic models to simulate the major hydrologic processes insidea large basin. Best use of available information (GIS coverages and hydrologic data) is made togeneralize the hydrologic information. The model will eventually be used to help regional waterresources planning by addressing problems like water exchanges between administrative orpolitical entities.

INTRODUCTION: CARTOGRAPHIE DES RÉGIMES HYDROLOGIQUES

Les ressources en eau renouvelables avaient fait l’objet d’une attention et de recherches soutenues dansles années 1970 lorsque, sous les auspices de la décade hydrologique internationale (DHI) del’UNESCO, plusieurs institutions avaient contribué à établir le bilan hydrologique de la planète(UNESCO, 1972; L’vovitch, 1974; Korzun et al., 1974, Baumgartner and Reichel, 1975).

Ces études ont rencontré des problèmes de différents ordres mais tournant autour d’un thèmecentral: comment et sur quelle base doit-on calculer et représenter les ressources en eau à l’échellecontinentale ? Les statistiques nationales sont difficiles à utiliser dans une étude régionale pour laquelleon tente d’obtenir une image globale des régimes hydrologiques.

Jean-Marc FaurèsDivision de la mise en valeur des terres et des eaux, FAO, Rome, Italie

Session 2 : Evaluation régionale des ressources en eau : le cas du bassin du Niger104

L’approche cartographique, qui permet d’obtenir une vision régionale des caractéristiques desrégimes hydrologiques, nécessite une transformation de ces données ponctuelles en informationspatiale. Seul un nombre réduit de caractéristiques hydrologiques se prête à une représentationcartographique. Les variables d’entrée du système hydrologique telles la précipitation ou les donnéesclimatiques (évapotranspiration potentielle) sont aisément cartographiables. De même, un certainnombre de variables ou de paramètres physiographiques peuvent faire l’objet d’une représentationcartographique: pente, exposition, couverture végétale, type de sol (y compris la capacité de stockage),géologie, aspects du réseau hydrographique.

Mais c'est lorsque l'on passe de la fonction de production à la fonction de transfert (écoulementsdans les cours d’eau) que l’approche géographique pose des problèmes principalement liés au caractèrelinéaire de l’écoulement dans le réseau hydrographique ainsi qu’à sa variabilité dans le temps. C’estégalement à ce niveau qu’apparaissent les problèmes liés à l’échelle de travail, plusieurs paramètres etvariables hydrologiques n'étant pas indépendants de l’échelle.

REGAIN D’INTÉRÊT POUR L’HYDROLOGIE RÉGIONALE

Les modèles de bilan hydrologique à l’échelle régionale ou continentale ont retrouvé un certain intérêtau cours des dernières années et ce, suite à l’augmentation de la demande d’information globale. A laFAO, de nombreuses études à caractère prospectif se basent sur une information régionale concernantles ressources naturelles. Celles-ci incluent les sols, le climat, les ressources forestières et halieutiques,les ressources génétiques et bien entendu les ressources en eau. Une estimation correcte des ressourcesen eau est indispensable pour une bonne évaluation du potentiel d’irrigation, lui-même nécessaire pourévaluer l’évolution de la production agricole (FAO, 1995). A titre d’exemple, la FAO est actuellementen train d’évaluer le potentiel d’irrigation de l’Afrique dans le cadre des efforts menés pour développerla production agricole dans les pays à faible revenu et à déficit alimentaire (FAO, en préparation).

OBJECTIFS DE L’ÉTUDE

L’objectif principal de l’étude est de mettre au point une méthode de régionalisation de l’informationhydrologique qui puisse être appliquée à l’évaluation des ressources en eau au niveau du continentafricain et étendue ensuite aux autres continents. Les résultats escomptés de l’étude sont:

• la représentation cartographique des principales caractéristiques hydrologiques de la zone étudiéepar bassin et sous-bassin;

• la capacité d’évaluer les ressources en eau sur la base d’unités territoriales différentes des unitéshydrologiques (unités politiques ou administratives, par exemple);

• la capacité de calculer les échanges entre unités territoriales;• un outil d’aide à la planification régionale des ressources en eau.

LE BASSIN DU NIGER

Le bassin du Niger a été choisi pour cette étude pour plusieurs raisons liées à ses caractéristiquesphysiques et son environnement institutionnel. Avec une superficie de 2,3 millions de km² environ (lebassin hydrographique ne peut être délimité avec précision dans les zones désertiques), le bassin du


Niger touche dix pays d’Afrique occidentale et couvre presque 8% de la superficie du continentafricain.

Le Niger prend sa source dans le Fouta Djallon dans des zones particulièrement pluvieusespouvant recevoir plus de 2 000 mm de précipitation annuelle par endroits (voir figure 1). Il entreensuite au Mali, où commence son parcours en région aride au cours duquel les apports des affluentssont faibles et limités aux quelques mois de la saison des pluies (juillet à septembre). Au Mali, le fleuvese disperse dans un des deltas intérieurs les plus étendus du monde (entre 30 000 et 80 000 km² selonl’importance des crues), où les apports de son seul affluent important, le Bani, ne suffisent pas pourcompenser les pertes par évaporation estimées entre 25 et 45 milliards de km3 par an. Il coule ensuite àtravers le Sud-Ouest du Niger où il reçoit les apports d’un certain nombre d’affluents en rive droiteissus du Burkina Faso (Sirba, Gorouol, Dargol, Gouroubi) et du Bénin (Mékrou, Alibori, Sofo). Aprèsson entrée au Nigéria, les apports de ses différents affluents, dont la Bénoué, deviennent plusconséquents suite à l’augmentation de la pluviométrie. Le fleuve se jette dans le golfe de Guinée, aprèsun parcours de près de 4 000 km, avec un débit moyen estimé à 5 600 m3/s. Il couvre donc un éventailde climats allant du tropical humide (Fouta Djallon) au désertique (Algérie, Mali et Niger).

La demande en eau, selon que l'on considère ou non les cultures de décrue, représente unprélèvement brut compris entre 5 et 12 km3 par an. Par rapport aux 180 km3 qui s’écoulentannuellement dans l’océan, cette demande peut être considérée comme faible (de 3 à 7%). L’utilisationde chiffres à l’échelle du bassin cache cependant une grande variabilité de situations qui donne à penserque pour certaines zones la demande en eau est déjà relativement importante comparée aux ressources.L’étude du potentiel d’irrigation des différents pays (FAO, en préparation) a montré que si chaque paysdéveloppait au maximum son potentiel d’irrigation, la demande en eau atteindrait la limite desressources mobilisables (sauf pour ce qui concerne le bassin de la Bénoué).

FIGURE 1Le fleuve Niger : carte de situation


En conclusion, le bassin du Niger présente d’une part une vaste gamme de situations climatiques etphysiques, et d’autre part des caractéristiques de potentiel de développement partiellement limitées parla ressource en eau qui exigera, lorsque se développera son potentiel d’irrigation, une collaborationactive entre les pays du bassin pour la gestion de cette ressource. Le bassin du Niger constitue de cefait une excellente étude de cas pour tester les possibilités d’une méthode d’évaluation régionale desressources en eau.

OUTILS ET DONNÉES DISPONIBLES

Les outils nécessaires pour atteindre les objectifs fixés par l’étude sont de deux types. Il s’agit d’unepart du système d’information géographique et d’autre part des modèles hydrologiques. Les données debase peuvent être divisées en données à caractère spatial et données ponctuelles.

Le système d’information géographique Arc-Info

Le système d’information géographique utilisé dans cette étude est Arc-Info. Le choix de ce système aété dicté en partie par le fait qu’il existe au sein de la FAO une unité SIG équipée de ce logiciel et pourlequel de nombreuses informations cartographiques sont déjà disponibles, et en partie par les besoinsspécifiques de la modélisation hydrologique en termes de traitement de l’information cartographique(Maidment, 1994). Plus particulièrement, le module GRID d'Arc-Info, développé pour le traitement del’information rasterisée, possède des fonctions permettant de retrouver automatiquement, à partir d’unmodèle numérique de terrain, le tracé du réseau hydrographique. Ce faisant, GRID construit pour lazone étudiée un réseau univoque permettant de représenter d’une façon logique et en tous points leparcours de l’eau depuis la zone d’interception de la précipitation jusqu’à l’embouchure. Les détails deces procédures sont décrits dans ESRI (1992).

Les résultats des modèles peuvent être incorporés dans le logiciel Arc-View, spécialement conçupour faciliter le travail d’interrogation des bases de données. Dans l’étude, Arc-View a été configurépour permettre l’étude de l’impact de scénarios de développement (barrages, périmètres irrigués, etc.)sur les régimes hydrologiques en aval des zones de prélèvement.

Les données disponibles

Les données disponibles conditionnent d’une part les méthodes qui peuvent être utilisées pourreprésenter les ressources en eau au sein d’un bassin et, d’autre part, la précision que l’on peut attendredes résultats. Cette disponibilité de l’information se mesure par:

• la précision de l’information spatiale (échelle des cartes, dimension des pixels);• la densité des réseaux d’observation (précipitation, données climatiques);• la longueur des séries d’observations hydrologiques et climatologiques.

Dans le cas de l’étude du bassin du Niger, l’échelle des cartes se situe entre 1/10 000 000 et1/5 000 000. A cette échelle, un certain nombre de couvertures thématiques sont disponibles pour lecontinent africain. Parmi celles-ci, les couvertures suivantes ont été utilisées dans l’étude :

• un modèle numérique de terrain (MNT) pour le continent africain (résolution 30”, soit 1 km)préparé par le United States Geological Survey (USGS) Eros Data Center (environ 2 millions depoints pour le bassin du Niger) (figure 2);


FIGURE 2Modèle numérique de terrain du bassin du Niger

• les fleuves d’Afrique numérisés dans le cadre d’une étude sur la désertification à l’échelle 1/5 000000 (FAO, 1984);

• treize cartes de précipitation à une résolution de trois minutes (5 km) préparées par Hutchinson etal. (1995): 12 cartes de moyennes mensuelles et une carte de moyenne annuelle (figure 3);

• la carte des sols du monde numérisée (échelle 1/5 000 000, FAO, 1994), à partir de laquelle il estpossible d’extraire l’information relative à la capacité (Smax) de rétention des sols (figure 4);

• La carte géologique de l’Afrique numérisée au 1/10 000 000 (UNESCO).

En ce qui concerne l’information ponctuelle disponible pour cette étude, il s’agit principalement desséries de données journalières ou mensuelles de:

• précipitation et climat (banques de données Climwat et Faoclim de la FAO et Agrhymet): environ100 stations pour les séries chronologiques de pluviométrie journalière et 30 stations pour lesdonnées climatologiques mensuelles moyennes;

• débits (32 stations sur le Niger et ses affluents) obtenus auprès du Centre global pour les donnéeshydrologiques (Global Runoff Data Centre, Koblenz, Allemagne). Il s’agit de sérieschronologiques de débit mensuel couvrant des périodes variables entre 1907 et 1992. La période1960-1990 a été utilisée comme période de référence dans cette étude;


FIGURE 3Précipitation moyenne annuelle sur le bassin du Niger

ainsi que de données ponctuelles concernant la fluctuation de la piézométrie obtenues à partir d’étudesportant sur certains pays (Mali, Niger, Nigéria).

Les modèles hydrologiques

L'utilisation des SIG se caractérise généralement par des opérations relativement simples effectuées surun nombre élevé de données. A l'inverse, les modèles hydrologiques sont caractérisés par des opérationscomplexes, incluant des itérations, sur un nombre de données plus réduit. Lorsqu'il s'agit de combinerles SIG avec les modèles hydrologiques, la complexité des opérations combinée au nombred'informations à traiter rendent les opérations difficilement réalisables. Il s'agit alors de trouver uncompromis entre la complexité des modèles et la résolution recherchée.

Dans le cas du modèle du bassin du Niger, plusieurs modèles sont utilisés pour représenterl'hydrologie du bassin:

• un modèle de bilan hydrique ou modèle vertical qui permet de scinder la précipitation entre la partévaporée et la part disponible pour l'écoulement et l'infiltration. C'est la fonction de production;

• un modèle reproduisant les écoulements dans les oueds. C'est la fonction de transfert;

• un ensemble de modèles qui simulent le comportement des principaux aquifères.


FIGURE 4Distribution de la capacité de rétention des sols Smax (Nachtergaele, inédit)

Ces modèles sont développés dans le but de reproduire de manière satisfaisante les sérieschronologiques de débits et de hauteurs piézométriques. Dans un premier temps, on a travaillé enrégime stationnaire en utilisant les moyennes pluri-annuelles des différents variables d’entrée(précipitation, Eto) et de sortie (débits mensuels, hauteur piézométrique). Ce sont ces résultats qui sontdécrits ci-après. L’étape suivante consiste à travailler sur la base des séries chronologiques de longuedurée pour tenter de reproduire les variations interannuelles des écoulements et hauteurspiézométriques.

La fonction de production

Le modèle utilisé pour représenter la fonction de production est le modèle de bilan hydrique décrit parThornthwaite et Mather (1957). Ce modèle considère le sol comme un simple réservoir ayant unecapacité Smax. La précipitation tombée sur une période de temps donnée sert en premier lieu àsatisfaire les besoins en évapotranspiration ETo. Si la précipitation est inférieure à l'évapotranspirationpotentielle, la demande évaporatoire excédentaire est transmise au réservoir-sol dans lequel elle peutpuiser à concurrence d'un volume proportionnel à la demande et aux disponibilités. Si ce volume n'estpas suffisant pour satisfaire la demande évaporatoire, il y a déficit d'évaporation. Lorsque laprécipitation est excédentaire par rapport à la demande évaporatoire, l'excès de précipitation est utilisépour recharger le réservoir-sol jusqu'à saturation, seuil au-delà duquel l'excès d'eau est évacué enpercolation ou écoulement. C'est le surplus. Il représente le maximum théorique d'eau disponible pourla recharge des aquifères et l'écoulement dans le réseau hydrographique.


Ce modèle a l'avantage d'être particulièrement simple et robuste. Il ne requiert la connaissance quede la capacité de rétention du sol, de la précipitation et de l'évapotranspiration potentielle, donnéestoutes disponibles dans le cas du bassin du Niger. Par contre, il est particulièrement sensible au pas detemps utilisé pour le calcul. Un pas de temps relativement long (le mois) tend à exagérer la part de laprécipitation disponible pour l'évapotranspiration. En zone aride, le modèle, utilisé avec un pas detemps d'un mois, peut ainsi montrer un écoulement nul alors que dans la réalité la distribution inégalede la précipitation au cours du mois provoque effectivement des écoulements et percolations. Dans cecas, un pas de temps maximum d'un jour est indispensable pour bien représenter la fonction deproduction.

Dans le modèle, les cartes de précipitation mensuelles ont été combinées avec les donnéesd'évapotranspiration potentielle ETo. Provisoirement, l'évapotranspiration potentielle est calculée àpartir des données de température disponibles pour le continent. Une extrapolation des données d'ETo,calculées par Penman-Monteith (FAO, 1992) à partir des données des stations climatologiques seraitpréférable mais cette information n'est pas disponible pour le moment. La capacité de stockage des sols(Smax) a été obtenue à partir de la carte de la figure 4.

L'information pluviométrique et climatique n'est disponible sur l'ensemble du bassin que sur basemensuelle. Afin de ne pas biaiser les résultats, surtout en région aride, une distribution statistique de laproduction a été établie pour estimer la production mensuelle sur l'ensemble du bassin à partir desrésultats établis sur base journalière sur un certain nombre de stations. Le résultat est présenté, pourchaque mois, à la figure 5. Ils sont conformes à la distribution régionale de la précipitation mensuelle.

La fonction de transfert

La fonction de transfert transforme les volumes produits par la fonction de production en écoulementsdans les biefs. La structure du réseau formé par GRID permet de préciser la direction des écoulementsélémentaires et l'accumulation des écoulements vers l'aval. L'opération la plus délicate consiste àévaluer les pertes par évaporation au cours du cheminement de l'eau dans les oueds, l'infiltration vers lanappe et la vitesse d'écoulement.

La zone sahélienne, plus particulièrement, est caractérisée par un réseau très peu marqué et trèsdégradé, comprenant de nombreuses zones d'accumulation et d'évaporation, ainsi que des systèmesdivergents de cours d'eau. Le meilleur exemple d'un tel système de dégradation est le delta intérieur duNiger au Mali, composé de centaines de mares connectées au réseau et ayant un comportementhydraulique très complexe. Le modèle ne peut prendre en compte l'existence de réseaux divergents.Afin de conserver les caractéristiques de l'écoulement, la solution adoptée a consisté à représenter lespertes et les vitesses d'écoulement comme une fonction du volume d’écoulement lui-même et d'unelargeur fictive du cours d'eau.

Il faut également noter que la génération automatique du réseau hydrographique à partir du MNTpar l’intermédiaire des procédures de GRID n’est pas entachée d’erreurs. Une petite erreur dans leMNT peut conduire à des écarts importants par rapport au réseau hydrographique réel, surtout en zonede faible relief. Le réseau hydrographique numérisé au 1/5 000 000 a été utilisé comme référence. Unemanipulation consistant à “imprimer” ce réseau dans le MNT a été utilisée. Elle permet ainsi d’assurerque le réseau généré par GRID suive exactement le tracé du réseau numérisé.

Les données annuelles de débit au droit des stations situées sur les affluents du fleuve permettentd'obtenir une première estimation des pertes subies au niveau de bassins de taille moyenne (quelquesmilliers de km²) et d'estimer ainsi les apports des bassins intermédiaires à partir des résultats de la


fonction de production. Les données annuelles au droit des stations du fleuve permettent ensuite decalibrer le modèle pour une bonne évaluation des vitesses d'écoulement et des pertes. De cette manière,on assure une cohérence du modèle par rapport aux écoulements observés.

Enfin, une vérification est effectuée pour ce qui est de l'infiltration, en comparant les pertes avec lesrésultats des modèles hydrogéologiques aux endroits où le fleuve et ses affluents rechargent la nappe.

Les modèles hydrogéologiques

La carte géologique numérisée a permis de dresser une carte hydrogéologique du bassin du Niger(figure 6). Pour les besoins de l’étude, les ensembles lithostratigraphiques représentés dans le bassin duNiger ont été répartis en trois grandes catégories d’aquifères:

• les aquifères généralisés, sièges de transferts souterrains régionaux et ayant des liaisonshydrauliques avec le réseau hydrographique;

• les aquifères semi-généralisés, montrant une capacité de transfert limitée vers le réseauhydrographique secondaire ou vers les aquifères encaissants;

• les aquifères discontinus, intrinsèquement imperméables, caractérisés par des nappes perchées detrès faible capacité et pour lesquels les échanges sont presque uniquement du type infiltration-évaporation.

Les grands aquifères continentaux (delta intérieur du Niger, Iullemeden) ont été modélisés à l'aidedu logiciel Modflow. Les résultats des deux modèles, exprimés sous forme de bilan annuel, sontprésentés au tableau 1. On constate dans les deux cas que les échanges avec les eaux de surfacereprésentent une part significative du bilan global. Ce sont ces échanges qui doivent être intégrés aubilan des rivières pour respecter le bilan hydrologique global au niveau du bassin.

En ce qui concerne les aquifères discontinus, le bilan hydrologique annuel ne peut s'exprimer qu'enfonction des transferts verticaux: apports obtenus par infiltration des eaux de pluie et extraction parévaporation ou prélèvements par les puits et forages. Ces aquifères ne participent donc pas auxéchanges avec les eaux de surface qui s'effectuent à l'échelle du bassin et il n'est pas nécessaire de lesconnecter aux autres modèles.

Enfin, en zone humide, on peut considérer que les aquifères sont connectés au réseauhydrographique et contribuent à l’écoulement par le biais du débit de base des rivières. On peut ainsireconstituer les fluctuations des aquifères à partir des informations sur le débit de base des rivières.Dans ces régions, il n'est pas nécessaire de construire des modèles spécifiques pour les eauxsouterraines.

RÉSULTATS ET PERSPECTIVES

L'étude présentée ici a un caractère expérimental. Son but principal est d'étudier les possibilités del'utilisation conjointe des SIG et de la modélisation hydrologique pour l'évaluation des ressources eneau au niveau régional. Il s'agit davantage de faire le meilleur usage possible de l'information existanteque de proposer un modèle hydrologique parfait.


FIGURE 5Evolution mensuelle du surplus calculé sur le bassin du Niger (mm/mois)

FIGURE 6Carte hydrogéologique du bassin du Niger


TABLEAU 1Bilan d’eau des deux principaux aquifères du bassin du Niger (Guerre, 1995)

Termes du bilan Delta intérieur IullemedenEntrées Sorties Bilan Entrées Sorties Bilan

Recharge par la pluie 23,0 - +23,0 12,9 - +12,9Apports sout. externes - - - 2,4 - +2,4Echanges avec eaux de surf. 5,8 8,6 -2,8 - 5,9 -5,9Pompage - - - - 1,4 -1,4Evapotranspiration - 20,2 -20,2 - 8,0 -8,0Total bilan 28,8 28,8 0,0 15,3 15,3 0,0

Un compromis doit être trouvé entre une représentation complexe de l'hydrologie de la zone étudiéeet la possibilité de répéter, avec des moyens et dans un laps de temps raisonnables, la même opérationpour l'ensemble des bassins d'un continent ou d'une région étendue.

Les données de débit mesuré permettent de calibrer le modèle de manière à obtenir des résultatsconcordant avec la réalité. L'un des problèmes majeurs que l'on rencontre dans l'application du modèleconsiste à représenter correctement le passage de la fonction de production à la fonction de transfert.En effet, les volumes d'eau générés annuellement par l'application du modèle de Thornthwaite, intégrésà la superficie des sous-bassins versants élémentaires (1 000 km2), sont de loin supérieurs auxécoulements mesurés à leur exutoire. Ce problème d'écoulement, lié à l'échelle des bassins étudiés, doitencore faire l'objet d'études plus approfondies.

La méthode présentée ci-dessus a été développée initialement pour répondre aux besoinsd’information sur les ressources en eau à l’échelle régionale et continentale. L’application à l’échelled’un pays ou d’une province est également envisageable. Il est cependant évident que celle-ci estconditionnée par l’existence d’information numérisée, notamment des modèles numériques de terrain.Si ce genre d’information est disponible, la méthode ci-dessus peut permettre de faire le meilleur usagepossible de l’information hydrologique existante.

Note

L’étude ci-dessus est financée conjointement par la FAO et l’UNESCO dans le cadre du programme“Water balance of Africa”. La méthodologie est développée avec l’assistance technique du Center forResearch in Water Resources, University of Texas at Austin, USA.

BIBLIOGRAPHIE ET RÉFÉRENCE DES COUVERTURES ARC-INFO

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Assessment of irrigation potential in AfricaArc-Info: a tool for the computation of the irrigation water

requirements at continental level

RÉSUMÉ

Dans le cadre de l'estimation du potentiel d'irrigation pour l'Afrique, la FAO a adopté en1995 une approche par bassin versant. L'intégration des données sur les ressources eneau et les terres aptes à l'irrigation est réalisée sur chacun de ces bassins en fonction desbesoins en eau d'irrigation. Arc-Info est l'outil utilisé pour définir les unités géographiquesde calcul, qui sont homogènes en termes de précipitations moyennes, d'évapotranspirationpotentielle, de calendrier et d'intensité de culture, et d'efficience de l'irrigation. Enassociant les informations sur les besoins en eau d'irrigation bruts, les superficies de solsadaptés à l’irrigation et les disponibilités d’eau par bassin, on peut estimer le potentielréel d’irrigation en Afrique.

ABSTRACT

In 1995, FAO undertook a study to assess the irrigation potential of Africa, based on ariver basin appoach. To integrate information on land and water at the river basin level,knowledge of irrigation water requirements per unit of land area is necessary. Arc-Infowas used to define the geographical computation units, which are homogeneous regardingaverage rainfall, potential evapotranspiration, cropping pattern (calendar, intensity) andirrigation efficiency. Combining information on gross irrigation water requirements, areaof soils suitable for irrigation and available water resources by basin eventually results inan estimation of the physical irrigation potential for Africa.

INTRODUCTION

There is growing concern over food security in Africa and especially sub-Saharan Africa. While theaggregate food supply/demand picture is relatively good, there will be a worsening in food security insub-Saharan Africa, and cereal imports are projected to triple between 1990 and 2020, for which it willnot be able to pay. Although the food situation is not as severe in North Africa, projections alsoindicate increasing cereal imports to 2020. To tackle this worsening situation, an increase in foodproduction in Africa is necessary, and irrigation is one important and, in many areas, indispensableinput to obtain this increase.

Mathieu Bousquet, Jean-Marc Faurès, Karen Frenken, Luc VerelstLand and Water Development Division, FAO, Rome, Italy

Session 2 : Assessment of irrigation potential in Africa116

At present in Africa, of the total cultivated area estimated at 143.3 million hectares, about 12.2million hectares benefit from irrigation. While it is true that considerable potential still exists for futureexpansion of irrigation, it is also true that water is becoming scarcer in those regions where the need forirrigation is most important.

FIGURE 1Assessment of irrigation potential


In order to plan the development of these water resources carefully, especially for agriculture whichis by far the biggest user of water, a re-assessment of the irrigation potential for the African continenthas been judged necessary. The definition of irrigation potential is not straightforward and implies aseries of assumptions about irrigation techniques, investment capacity, national and regional policies,social, health and environmental aspects, and international relationships, notably regarding the sharingof waters (IFPRI, 1995).

The most logical research unit for the computation of irrigation potential is the river basin, as onlyat this level can the water availability be evaluated. However, as most of the information is available atcountry level, and as information at country level may also be important for planning purposes, boththese research units have been used to define the base on which irrigation potential is assessed (FAO, inpreparation).

When combining the available land resources suitable for irrigation, expressed in hectares, and theavailable water resources, expressed in m3 per year, for assessing the irrigation potential, knowledge ofthe irrigation water requirements, expressed in m3/ha per year or in mm per year, is necessary.

Figure 1 shows the computation process for the assessment of physical irrigation potential in a firststep, and the identification of possibilities for irrigation development in a second step, after taking intoconsideration the non-physical factors. This article deals with the computation of the irrigation waterrequirements, as a part of the first step of the process, and the use of a Geographical InformationSystem (GIS) in that context1.

IRRIGATION WATER REQUIREMENTS CALCULATION

Crop water requirements (CWR) are calculated on the basis of monthly effective rainfall (Peff) andreference evapotranspiration (ETo), the first being calculated from average rainfall following the USDASoil Conservation Service method and the latter being calculated following the Penman-Monteithapproach (FAO, 1992). For a given crop, i, and a given cropping period:

CWR kc ET Pi i ot

T

efft t t= ⋅ −

=∑ ( )

0

unit: mm (1)

where kcit is the crop coefficient of the given crop, i, during the growth stage, t, and where T is the lastgrowth stage.

Each crop has its own water requirements. Net irrigation water requirements (NIWR) in a specificscheme for a given year are thus the sum of individual crop water requirements (CWRi) calculated foreach irrigated crop, i. Multiple cropping (several cropping periods per year) is thus automatically takeninto account by separately computing crop water requirements for each cropping period.

1 This article presents results already reported in: "Study of the irrigation potential for Africa. Report on the

computation of irrigation water requirements at continental level" (FAO, 1995c).


NIWR CWR Sii

n

i= ⋅=∑

1

unit: m3 (2)

where Si is the area cultivated with the crop, i.

Dividing by the area of the scheme (S, in ha), a value of irrigation water requirements is obtained,expressed in m3/ha or in mm (1 mm = 10 m3/ha).

NIWR

CWR S

S

i ii

n

=⋅

=∑

1 unit: m3/ha (3)

The cropping intensity of the scheme can be defined as:

S

S

ii

n

=∑

1 (4)

To account for losses of water incurred during conveyance and application to the field, anefficiency factor should be included when calculating the irrigation water requirements for a scheme.The efficiency (E) of water distribution covers the efficiency of water conveyance, the field canalefficiency and the field application efficiency. It results in the gross irrigation water requirement(GIWR) per unit of area.

GIWRE

NIWR= ⋅1 unit: mm (5)

REGIONALIZATION

In order to compute irrigation water requirements at continental level, assumptions have to be made onthe definition of areas which will be considered as homogeneous in terms of rainfall, ETo, croppingpattern, cropping intensity and irrigation efficiency. A GIS is used in the process of defining suchhomogeneous areas, and for computing the values over the whole continent once calculations have beencarried out for each area.

The validity of the process relies completely on the representativeness of the areas chosen ashomogeneous for irrigated cropping pattern and characteristics, ETo and rainfall. Should they be toolarge, the differences between several points of the same zone would be too important to allow the areato be considered as homogeneous. On the other hand, should they be too small, the needed basicinformation would not be available for each of them.

Two maps have to be obtained and combined: a map of irrigated cropping patterns andcharacteristics, and another of homogeneous areas for climate characteristics (P, ETo).

DETERMINING IRRIGATED CROPPING PATTERN ZONES

The first step consists thus of determining homogeneous cropping pattern zones for irrigatedagriculture. The irrigation cropping pattern area means that each point of the area, should it beirrigated, would be cultivated following the irrigation cropping pattern. It does not reflect the status ofpresent irrigation, but describes what would be the cropping pattern if water and soil resources were


allowing the development of irrigation. It is therefore rather theoretical, and explains why an irrigatedcropping pattern is also assigned to some parts of the Sahara desert where irrigation is obviously notfeasible everywhere. It should also be mentioned that this irrigation cropping pattern is different fromthe actual rainfed cropping pattern. The available literature (country studies, masterplans, sectorialstudies, etc) gives generally figures for this cropping pattern at the scheme level or at the country level,but rarely at the regional level and almost never at the river basin level. The available information(FAO, 1987, 1995b) is nevertheless used to define an average irrigated cropping pattern, based on thecropping pattern in irrigated schemes spread over the continent.

In order to improve the definition of the homogeneous areas for irrigated cropping patterns, otherfactors are also considered: topographic slopes which may prevent development of specific crops;rainfall trends and rainfall patterns which have a direct influence on cropping patterns; presence ofwetland such as the Sudd marshes land in Sudan or rivers such as the Nile River in Egypt or the NigerRiver in Mali which affect the kind of crops which are cultivated under irrigation; population pressurewhich may affect both actual and potential cropping intensity; technological differences which mayaffect the kind of crop cultivated.

Furthermore, the cropping pattern computed on the basis of actual irrigated agriculture shows adiversity of crops which would not exist if irrigation was developed on a larger scale. When drawingthe map of cropping pattern, it was decided to retain only the main crops, which represent together atleast 85% of the total irrigated area. Land occupation by the remaining 15% or less of secondary cropsis assigned to the main crops.

For the specific case of irrigated vegetables, their cultivated area may represent a large percentageof total irrigated crops because of the low development of irrigation, but would not be much moredeveloped in real terms if irrigation development covered the whole potential, due to market limitations.

Two other variables significantly affect the water requirements: (1) the cropping intensity, and (2)the water distribution efficiency. Little information exists on global irrigation efficiency (FAO, 1977).It was decided to assess the efficiency on the base of the irrigated cropping pattern and of regions sinceirrigation efficiency may vary critically according to the level of intensification of irrigation techniques,traditional cultivation, management practices. One figure for both variables was obtained for eachcropping pattern zone.

Because the study should serve the purpose of assessing both current and future water use, twoscenarios are developed: one with the actual situation, meaning the actual cropping intensity and theactual irrigation efficiency, and the other with potential values for those two variables. Potentialcropping intensity is generally estimated by increasing current values by 10 to 20%, while potentialefficiencies are estimated to be only 5 to 10% higher than the actual figures.

This process results in the definition of 24 zones for the African continent, subsequently digitizedand stored in Arc-Info (Figure 2). For each of them, a typical crop calendar is developed for all majorcrops (see example in Figure 3).


FIGURE 2Irrigation cropping pattern zones. List of cropping pattern zones.

1. Mediterranean coastal zone2. Saharan oases3a. Semi-arid to arid savannas in West-East Africa3b. Semi-arid/arid savanna (Somalia, Kenya, Southern Sudan)4a. Rice - Niger/Senegal rivers4b. Rice - Gulf of Guinea4c. Rice - Southern Sudan4d. Rice - Madagascar tropical lowland4e. Rice - Madagascar highland5. Egyptian Nile and delta6. Ethiopian highlands7. Sudanese Nile area8. Shebelle-Juba river area in Somalia9. Rwanda-Burundi-southern Uganda highland10. Southern Kenya - Northern Tanzania11. Malawi/Mozambique/Southern Tanzania12a. West and Central African humid areas above the equator12b. Central African humid areas below the equator13. River affluents on Angola-Namibia-Botswana border14. South Africa - Namibia - Botswana desert and steppe15. Zimbabwe highland16. South Africa - Lesotho - Swaziland17. Awash river area in Ethiopia18. All islands (Comores, Mauritius, Seychelles, Cape Verde)


DETERMINING AREAS HOMOGENEOUS FOR CLIMATE

The second step consists of computing evapotranspiration; long-term average rainfall and potentialevapotranspiration data were used. Using the climatic database FAOCLIM, data for 1 025 stationsspread over Africa were used. Ideally, to obtain a spatial coverage of the continent, the best solutionwould have been to interpolate rainfall and ETo data among the existing stations, considering the agro-ecological variations that exist among the stations. Another simpler solution is preferred: each station isassigned an area of influence using Thiessen polygons (Figure 4). This method assumes linear variationof precipitation among stations and assigns each segment of area to the nearest station. On average,because of the low density of climate stations in several parts of Africa, a climate station is thusrepresentative for the climate over 29 330 km2, but it ranges from 18 000 to 485 000 km2. The methodleads to the result that the more isolated a station is, the higher its relative importance becomes.

As the quality of climatic data appears decisive for the quality of the results, it is decided to verifythem by plotting them against thematic maps of yearly average rainfall and ETo data. Quality of datais obviously linked to the density of climate stations, which is much lower in the desert areas (Sahel,Sahara, Kalahari). Rainfall data are compared with raster maps prepared by the Australian NationalUniversity (Figure 5). This results in some corrections to the climate database, but generally not morethan one month correction for only a few stations.

COMBINING THE TWO MAPS

The third step consists of combining the cropping pattern zones and the Thiessen polygons and resultsin the definition of 1 437 basic map units. Each unit is thus characterized by one irrigation croppingpattern and one climate.

COMPUTATION OF IRRIGATION WATER REQUIREMENTS

For all these units, the CROPWAT model - a computer program for crop water requirementcalculations developed by FAO (FAO, 1995a) - is used during the fourth step to compute net irrigationwater requirements. Inputs for the model are climatic parameters - rainfall and ETo - and cropcoefficients. Output from CROPWAT includes monthly net irrigation water requirements by crop.Using the cropping pattern, and the actual and potential cropping intensity, net irrigation waterrequirements per year are calculated for a theoretical hectare of irrigated land in each area, as explained

FIGURE 3Example of cropping calendar for the Egyptian Nile and delta


earlier. For each scenario (potential and actual), a figure for gross irrigation water requirements isobtained for each of the 1 437 units. Those results are subsequently plotted on Arc-Info (Figure 6). Amanual adjustment leads finally to the identification of 84 areas of relatively homogeneous croppingpattern and gross irrigation water requirements, which are subsequently digitized (Figure 7).

These results are then combined with water resources on one side, and soils suitable for irrigationon the other, for the assessment of the physical irrigation potential.

DISCUSSION

The method that was used is based on a combination of GIS and water balance calculation programs atregional level. For the regional assessment of irrigation water requirements, as far as possible theinformation available through GIS was used. The major constraint observed is the limited amount of

FIGURE 4Theissen polygons for climate stations


FIGURE 5Comparison of average rainfall between FAOCLIM and Australian National University data


FIGURE 6Gross irrigation water requirements (before adjustments)


FIGURE 7Gross irrigation water requirements (after adjustment)


available information, on the basis of which irrigation cropping pattern zones have been neverthelessdefined. While the definition of irrigation cropping pattern zones can be considered as satisfying at thecontinental level, which is the purpose of the present study, it would not be precise enough at a countrylevel. Furthermore the cropping pattern which is defined is an average one, based on the actualsituation of irrigation development, and cannot presume what would be the cropping pattern in eachirrigated scheme for a larger irrigated area.

The influence of the cropping pattern zones on the quality of the output is of prime importance.Extreme differences in irrigation water requirements can be observed in adjacent zones, as aconsequence of this approach. For instance, in Burkina Faso, areas located north of the 1 000 mmisohyet line have a gross potential water requirement of 500 mm per year while areas located just southof this line need more than 2 800 mm per year. This is mainly due to the definition of irrigated croppingpattern zones, where it was decided that no rice was cultivated under 1 000 mm of rainfall per year.Within the cropping pattern zones, the boundaries of irrigation water requirements zones follow rainfalltrends.

A second constraint is the low density of climate stations in several parts of the continent, notablythe desert areas. The Thiessen polygons method leads there to major approximations. This results in ahigher variation in net irrigation water requirements. The difference between two adjacent zones withinthe same irrigated cropping pattern zone may be as high as 600 mm/yr (in the Sahara for example),while the difference in other parts of Africa does not exceed 200 mm/yr. Resolution of climatic datacould also be improved by developing monthly maps of P and ETo on the basis of interpolations amongexisting stations.

Other critical assumptions are those of the cropping patterns, actual and potential croppingintensities, and irrigation efficiencies. Nevertheless, country studies on this specific matter generallygive figures for irrigation water requirements close to those assessed by this study.

The methodology has been developed on a large scale: the African continent. It could also be usedon a smaller scale, a river basin for example, in which case a better definition of irrigation croppingpattern zones as well as a better estimation of irrigation efficiency and cropping intensity would givebetter results. Development of monthly maps of P and ETo would also significantly improve theresolution of the work.

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Evaluation des ressources en eau dans lesocle par l’étude des fractures à l’aide des

données Landsat (bassin d’Odienné, Côte d’Ivoire)

RÉSUMÉ

Dans le cadre d'un projet de recherche entre l’UREF, l’IET et le CARTEL de l'Universitéde Sherbrooke visant à évaluer le rôle de la télédétection dans la recherche des eauxsouterraines en milieu cristallin, une étude structurale et géologique par télédétection a étéentreprise. Cette étude avait pour but d’établir l'inventaire des réseaux de linéamentsprincipaux pour la sélection des sites privilégiés des forages.

L'interprétation géologique des images et les données géologiques déjà existantes sur lanature des roches ont permis d'établir une carte d'unités géologiques et des axesstructuraux majeurs sur des formations constituées en grande partie de granite et granitemigmatique. L'exploitation des données provenant à la fois des études sur l'affleurement,de l'interprétation des photographies aériennes et des images satellitaires a permis dedégager les grandes orientations tectoniques suivantes : N0-20°, N30-60°, N80-100° etN120-170°, dont l'âge varie du paléozoïque inférieur au crétacé.

Les diagrammes de fréquence ont permis de déterminer les grandes directions de fracturesde tension pouvant parfois présenter des ouvertures productives, à savoir les directions NE,NW, NS. Les traitements numériques ont porté sur le rehaussement, les rapports etcombinaisons entre bandes TM et la classification semi-dirigée. On a retenu le filtragedirectionnel de Sobel, matrice 7´7.

ABSTRACT

A structural and geological study aimed at evaluating the role of remote sensing in thesearch for underground water in fractured rock environments was undertaken in theframework of a joint UREF, IET and CARTEL (Sherbrooke University) project. Theobjective of the project was to prepare an inventory of the major lineament networks forthe selection of drilling sites.

The geological interpretation of images, linked with the existing geological information ofthe nature of bedrock, has made it possible to establish a map of geological units and ofthe major structural axes on mainly granite and magmatic granite formation. Thecombined use of data from the study on surfacing, from the interpretation of aerialphotographs and from satellite images has made it possible to obtain the following maintectonic orientations: NW-20o, N30-60o, N80-100o and N120-170o, whose age varies fromthe lower Paleozoic to the Cretaceous.

Issiaka Savane, Institut d’écologie tropicale, Abidjan, Côte d’IvoireBénié Goze, CARTEL, Université Sherbrooke, Canada,

Jean Biemi, Département des sciences de la terre,Université nationale de Côte d’Ivoire, Abidjan, Côte d’Ivoire

Session 2 : Evaluation des ressources en eau (Côte d’Ivoire)128

The frequency diagrams have made it possible to determine the main directions of tensionfractures that can at times present productive openings, in particular the NE, NW and NSdirections. Digital processing was based on height adjustment, the ratio and thecombination between TM bands and semi-assisted classification. A Sobel directional filterwith a 7x7 matrix was chosen.

INTRODUCTION

Dans le cadre de ses activités, le réseau de télédétection de l’UREF, l'IET et le CARTEL ontentrepris un projet de recherche des eaux souterraines en milieu de socle au Nord-Ouest de laCôte d'Ivoire. Ce projet vise à situer la place de la télédétection dans la résolution de ce problème.

L'une des méthodes les plus utilisées dans la prospection des eaux souterraines dans le socleest la sélection des sites d'implantation des forages à grand débit par l'exploitation des fractures.C'est sur cet aspect que nous avons concentré nos efforts. Les problèmes d'échelle, lors de lasuperposition des documents et reproductions photographiques des scènes Landsat aux cartestopographiques, limitent la précision dans le choix des sites.

Les travaux de Biémi (1991) sur la géologie et les linéaments régionaux du bassin de laMarahoué et les travaux de Géomine (1982) sur la géologie de la région d'Odienné ont été leséléments de base de ce travail. Notre contribution a consisté en l'inventaire des réseaux defracture à rôle hydraulique dans la région d’Odienné et en l'étude géologique et structurale desscènes Landsat. Les travaux de terrain et l’analyse des photographies aériennes et de l'imageriesatellitaire ont permis de comparer les grandes directions de fracture. Par l'intégration numériquede ces données nous avons réalisé la cartographie des linéaments de la région et étudiél'exploitation des fractures dans la recherche de la productivité des forages.

MÉTHODOLOGIE

L'étude de ce site a nécessité trois scènes Landsat Thematic Mapper. Ce sont des images du 8janvier 1986, du format 6250 BPI adaptable au logiciel I2S, dont les caractéristiques sont lessuivantes :

Paths Rows Quadrant 199 53 2 et 4 198 53 1 et 3 198 54 1 et 2

En plus de ces scènes, une représentation photo-satellitaire du site à l'échelle de 1/100 000 a étéutilisée. Ces images ont été prises en l'absence de nuages, en pleine saison sèche. La création de lamosaïque a nécessité un calibrage radiométrique (ajustement de la moyenne et de l'écart-typeentre les secteurs de recouvrement) et la correction géométrique a comporté un rééchantillonnagede la taille des pixels à 50 * 50 mètres, compte tenu de la grande superficie du secteur d'étude (13340 km²). Les bandes 3 (rouges), 4 (proche infrarouge), 5 (infrarouge moyen) et 7 (infrarougelointain) ont été retenues.

Les traitements d'images ont porté sur la recherche des combinaisons d'images rehausséesfavorisant la discrimination des ensembles lithologiques et la perception des linéaments sur lescompositions colorées. Ainsi, l'étude géologique a été menée à partir des composantes principales,


du rapport TM7 - TM4, de la combinaison TM6 + TM7 et des filtres directionnels de Sobelutilisant une matrice 3 * 3 ou 7 * 7. Plus de 200 photos aériennes ont été utilisées pour couvrir lazone d'étude, et ont servi aux études des linéaments et de la géomorphologie. Ces photos sont àl'échelle de 1/50 000 en noir et blanc. A ces images et photos s'ajoutent les cartes topographiquesde 1/200 000 et les informations géologiques préexistantes ou recueillies lors des étudesgéologiques à l'affleurement.

PRINCIPAUX RÉSULTATS ET INTERPRÉTATION

Carte géologique

L'esquisse de la carte géologique (figure 1) met en évidence l'importance des granites à biotited'extension régionale qui occupent 42 % de la superficie ; viennent en deuxième position lesmigmatites (migmatites anciennes et récentes) avec 30 % de la superficie. Les granites à biotiteshomogènes, les granites à deux micas et les granodiorites occupent 11 % de la superficie de larégion, les métasédiments et métavulcanites 5 % et le gneiss 12 %.

Les formations impliquées dans les orogenèses qui affectent la région d'Odienné peuvent êtredivisées en deux groupes (Potin, 1988) :

• Les roches métamorphiques, constituées de reliques de roches libériennes, d'un ensemble deroches d'origine volcanique, subvolcanique et sédimentaire qui se sont mises en place dans lessillons d'âge birrimien, d'orthogneiss et d’amphibolites considérés tantôt comme libériens,tantôt comme précoces en cycle éburnéen. Le métamorphisme qui affecte ces formations estdu faciès granulite pour les roches libériennes, généralement du faciès schiste pour lesmétavulcanites et les associées, et enfin du faciès amphibolite pour les orthogneiss etamphibolites.

• Les plutonites dont l'essentiel est formé de granitoïdes et de roches associées. Toutes ces

formations ont subi d'importants phénomènes dont elles portent la marque. L'étudepétrographique des granitoïdes d'Odienné a permis de distinguer les granodiorites, les graniteshétérogènes, les granites homogènes, les granites à deux micas, les pegmatites et aplitesassociées.Les faciès sont très variés, tant par leur texture et leur structure que par leurcomposition minéralogique. Les faciès les plus fréquents ont un aspect orienté avec desalternances à limites diffuses de zones leucocrates à grains moyens et de zones mésocrates, engénéral à grains plus fins, à biotite ou biotite amphibole (Géomines, 1982).

Tous ces faciès de roches plutoniques présentent :

• une altération hydrothermale qui s'exprime souvent par une séricitisation des feldspaths, unechloritisation de la biotite et une ouralisation de l'amphibole,

• une cataclase caractérisée par des torsions ou ruptures des minéraux accompagnées parfois depetits décrochements de macles ; une linéation minérale fréquente, l'extinction onduleuse et lesbandes de déformations dans le quartz, preuves d'une mise en place syncinématique,

• un zonage des feldspaths qui marque le caractère magmatique de ces formations.


FIGURE 1Carte géologique de la région d’Odienné


Le birrimien est représenté pardes métasédiments et méta-vulcanites présents surtout dans lapartie centrale de la carte. Lesmigmatites anciennes ont étécartographiées dans la partie Est etNord-Est. Les gneiss traversent lacarte du NNO-SSE .

Réseaux de linéaments régionaux

Les linéaments identifiés à partirdes images TM et ceux identifiéssur les photographies aériennes ontété superposés aux fracturesobservées à l’affleurement. Lesrosaces de direction, constituées àpartir de ces trois observations, ontpermis de déterminer les grandesdirections de fractures régionales(figure 2).

Les deux premières méthodesprésentent des directions presquesimilaires. Le diagramme defréquence à partir des observationssur les affleurements est légèrementdifférent des deux autresobservations. Cela s'explique par lefait que la couverture totale eteffective sur le terrain d'un site àgrande échelle étant humainementimpossible, le nombre de fréquencesd'observations de direction desfractures est faible et mêmeincomplet par rapport aux méthodesde télédétection. L’observation desimages satellite offre donc beaucoupd'avantages et permet de gagnerbeaucoup de temps dansl'élaboration d'une carte defractures.

Sur la base de l'analysestatistique et des informationsgéologiques disponibles, la direc-tion NE, correspondant à ladirection du birrimien, a étéconsidérée comme celle de ladéformation tectonique majeure.Ainsi, les fractures proches du NE

FIGURE 2Histogrammes des fréquences de fractures


peuvent être considérées comme des fractures de tension et les fractures d'orientation NW, étantorthogonales aux contraintes de compression, seraient donc situées dans les plans de cisaillementet, de ce fait, peuvent être considérées comme étanches. Les fractures d'orientation NS sont asseznombreuses dans la région.

D'une façon générale, ces accidents s'intègrent parfaitement dans la tectonique cassante de laCôte d'Ivoire. Les couloirs de cisaillement de la région d’Odienné correspondent à des directionsmajeures dans le socle africain. Ces cassures du socle seraient apparues au cours des orogenèseslibériennes (2 500 MA), panafricaines (600 MA) et hercyniennes (350 MA) ou au moment del'ouverture de l'Atlantique, il y a 200 MA (Biémi et al., 1991). Nombre d'entre elles auraient subides phases de remobilisation depuis le crétacé.

Recherche des sites d'implantation des forages

L'obtention d'un grand débit dépend en grande partie du positionnement des forages. La positionla plus convoitée est celle située sur l'intersection de deux ou plusieurs fractures kilométriques.

Le rehaussement des images TM par le filtre directionnel de Sobel dans la matrice 7´7 permetde mettre en évidence les grandes fractures dans les différentes directions. Par l'intermédiaire d'unsystème graphique, on peut tracer ces fractures et ensuite déterminer les différentes intersectionsqui offrent plus de chances de succès (figure 3).

FIGURE 3Filtrage directionnel de Sobel, matrice 7´7 permettant de rehausser les linéaments


Relation entre fractures, positionnement et productivité des forages

Si l'on tient compte des critères d'implantation des forages dans le socle qui les veulent :

• dans le croisement de fractures les plus longues, les plus nettes, et si possible les plusnombreuses,

• en un point topographiquement bas,

• en aval d'un bassin versant le plus large possible,

• à proximité d'un marigot permanent,

on doit admettre que chaque forage réalisé dans le socle est positionné par rapport à au moins unaccident appartenant à une direction tectonique déterminée. Par conséquent, l'étude des relationsentre forages et fractures peut s'avérer intéressante pour expliquer le rôle hydraulique de certainesdirections d'accidents.

La carte de linéaments réalisée à partir des images satellitaires a été introduite dans lesystème Arc-Info. Dans ce système, nous avons classé les fractures selon les directions N-S, NE-SO, E-O et NO-SE. Sur ce fichier, nous avons superposé la base des données sur les ouvrages àla carte de linéament, après avoir produit une carte thématique représentant la distance de toutpoint de la zone d'étude par rapport au linéament le plus rapproché. Nous avons déterminé par lesystème Arc-Info la distance séparant chacun des 134 ouvrages de la fracture la plus proche danschacune des quatre directions précitées.

Influence des accidents sur le position-nement des forages dans le socle

Le calcul des pourcentages d'ouvrages liés àchaque direction tectonique au moment del'implantation des ouvrages donne lesrésultats figurant au tableau 1.

Ces pourcentages permettent de classerles accidents en fonction de leur influencedans le positionnement des forages : NE-SO> NO-SE > E-O > N-S.

Les accidents NE-SO et NO-SE, quis'associent aux directions libériennes etéburnéennes d'Afrique, sont les mieuxvisibles sur les images satellitaires.

La répartition des débits suivant lesquatre directions est consignée dans letableau 2.

L'influence des accidents N-S et NE-SW n'est remarquable que sur les débits moyens. Eneffet, dans ce cas, 55 % des ouvrages à débits moyens sont liés à ces directions de fracture.

TABLEAU 1Directions tectoniques et implantation desforages

Pourcentage de forages liés à chaque directiontectonique

N-SNE-SWE-WNW-SE

22,3529,1022,6825,88

TABLEAU 2Pourcentage de gros débits et des débitsmoyens dans chaque direction

Pourcentage des débits supérieurs à 6 m3/hN-SNE-SWNW-SEE-W

2,7329,8032,3635,12

Pourcentage des débits compris entre 3 et 6 m3/hN-SNE-SWNW-SEE-W

23,8331,7426,9317,50


Régression des pourcentages des forages en fonction des distances de leur éloignement parrapport aux fractures

Nous avons superposé la carte des linéaments conçue à partir des images Landsat à celle desouvrages réalisés sur le site lors des campagnes d'hydraulique villageoise dans le système Arc-Info, et nous avons étudié la distribution des ouvrages à l'intérieur des classes d'éloignement de200 en 200 m par rapport aux fractures.

La figure 4 permet de distinguer trois parties:

• une droite des implantations idéales localisées sur l'axe des ordonnées, évaluée à 9,5 % et quirenseigne sur le nombre de forages captant directement les fractures;

• une courbe de croissance entre 0 et 1 000 m, avec un pic à 400 m. Cette croissancecorrespond à 69,2 % du nombre de forages. Ce sont les ouvrages à la fois les plus prochesdes accidents et les plus sollicités par les campagnes de forage;

• une courbe de décroissance faible entre 1 200 m et 3 000 m représentant 30,8 % du nombrede forages. Ce sont les ouvrages les plus éloignés des fractures.

En général, les ouvrages issus des campagnes d'hydraulique villageoise, réalisés dans lesannées 1976, ont été implantés de façon aléatoire :

• 9,5 % des ouvrages captent directement les fractures et correspondent à ceux qui offrent despourcentages de débit fort, supérieur ou égal à 6 m3/h. Parmi eux, on peut noter Doumbala(20 m3/h), Kadiola (17,6 m3/h), Geouisso (12 m3/h), Nienesso (10 m3/h) etc.;

FIGURE 4Courbe de décroissance des pourcentages de forages en fonction des distances d’éloignementpar rapport aux fractures


• 59,7 % des ouvrages sont plus ou moins proches d'une fracture et offrent des pourcentages dedébit intermédiaires compris entre 2 et 4 m3/h. Ce sont des ouvrages tels que Sélé etN'goloblasso (2,9 m3/h), Bougousso (3,3 m3/h), Nabagala (4,5 m3/h) etc.;

• 30,8 % des ouvrages offrent des pourcentages de débit inférieur ou égal à 2 m3/h.

L'idéal, dans la recherche hydrogéologique en milieu de socle, serait de rencontrer unefracture ouverte susceptible d'offrir un débit maximum. Si un ouvrage est placé sur des fracturesprofondes, ou mieux sur l'intersection de deux ou plusieurs fractures, il est possible d'obtenir ungrand débit d'eau souterraine (Parizek, 1976). La cartographie des fractures est doncrecommandée dans les zones de socle parce que l'eau souterraine se trouve dans les structuressecondaires où les vides sont développés par l'action tectonique et l'altération.

Le nombre de fractures et le nombre d'intersections de fractures sont des mesures de laperméabilité secondaire moyenne de l'aquifère de roche cristalline et, par conséquent, de lagrandeur d'écoulement d'eau souterraine autour du puits (Brook, 1988). Ainsi, on constate qu'unforage réalisé dans ces zones, sur la base des photographies aériennes et/ou de la géophysique,doit être distant d’un kilomètre au maximum d'un accident pour être productif. Par conséquent,chaque forage doit se situer à proximité d'au moins une fracture dont il est censé capter les eauxsouterraines.

L'interpolation des distances, par rapport aux fractures, présente un certain nombre desources d'erreurs qui sont :

• la correction géométrique,• l'interpolation imparfaite,• les erreurs dans les relevés des linéaments,• les traces de crayon,• les erreurs de lecture.

En raison de sa grande dimension, le pixel du site a été échantillonné à 50 m. Compte tenudes différentes sources d'erreurs, on a accepté pour cette étude une marge de ± 2 pixels, ce quicorrespond à la distance de 100 m.

CONCLUSION

Dans la région d’Odienné, en Côte d’Ivoire, une interprétation géologique des images LandsatTM et des photographies aériennes a permis d'établir la carte des principales unités et les rosacesdes principales directions des fractures majeures. Sur le plan géologique, cette région estcaractérisée essentiellement par les formations de granito-migmatites, les granites, les granites àbiotite, les granites à deux micas, le gneiss, et les formations volcaniques. Les linéaments y sontcaractérisés par les principales directions suivantes : NO-20°, N30-60°, N80-100°, N120-170°.Ces directions de fractures définissent plusieurs couloirs de cisaillement et de failles et cesaccidents cassants ont un rôle hydrogéologique important. En effet, pour garantir un débitoptimum des forages en zone de socle, la recherche des fractures ou des intersections de fracturesest conseillée. C'est ainsi que nous avons inventorié plusieurs fractures qui présentent un intérêtcertain pour les futures campagnes d'hydraulique villageoise.

L'étude des linéaments et des fractures présente certaines limites dans leur interprétation. Ondoit notamment tenir compte du facteur humain. En effet, pendant l'interprétation, les copiespeuvent subir une rotation et les traits des linéaments sont alors observés sous des angles


différents, ce qui peut fausser l’interprétation des images. D'autre part, dans l'interprétation desimages Landsat à travers un viseur additif couleur, la scène est observée sous des directionsangulaires limitées.

REMERCIEMENTS

Nous tenons à remercier l'UREF (Université des réseaux d'expression française) pour nous avoirpermis de réaliser ce travail grâce à une subvention de recherche partagée.

BIBLIOGRAPHIE

Brook, G. 1988. Hydrological factors influencing well productivity in the crystalline rock regions ofGeorgia South-eastern. Geology, vol.29, p. 65-81.

Géomine. 1982. Inventaire hydrogéologique appliqué à l'hydraulique villageoise. Cahier n° 4. Ltée,24 p.

Potin Koffi, B.K. 1988. Pétrographie et géochimie des formations précambriennes de la régiond'Odienné (Nord-Ouest de la Côte d'Ivoire). Thèse Doctorat ès-sciences naturelles.

Biémi, J., Gwyn, Q.H.J., Deslandes, S. et Jourda, P. 1991. Géologie et réseaux de linéamentsrégionaux du bassin versant de la Marahoué, Côte d'Ivoire : cartographie à l'aide des donnéesLandsat TM et du champ magnétique total. Télédétection et gestion des ressources. Vol. VII, PaulGagnon (édit.). L'Association québécoise de télédétection. p. 135-145.

Parizek, R.R. 1976. Lineaments and ground water. Memurtry, G.T. et Petersen, G.W. (éds)Interdisciplinary application and interpretation of EREP data within the Surquehanna River basin.SKYLAB EREP Investigation # 475, NASA contract n° 9, 134076, ORSER SSEL, vol. 4, p.59-86.


La télédétection comme moyen d'appuià la planification des ressources en eau

(cas du Sud-Ouest du Burkina Faso)

RÉSUMÉ

Pays sahélien , le Burkina Faso est situé en Afrique de l'Ouest. La pluviométrie annuellevarie entre 500 mm au Nord et 1 200 mm au Sud, donnant naissance à des cours d'eaupérennes dans la partie Sud-Ouest du pays (Comoé, Mouhoun, Bougouriba).

Malgré le caractère sahélien du pays, la zone du Sud-Ouest, d'une superficie de 60 600km2, recèle d'importantes ressources en terre et en eau. Cette zone connaît une intenseactivité de mobilisation et d'utilisation des eaux: périmètre sucrier de la SOSUCO (3 800ha), périmètre rizicole de la Vallée du Kou (1 000 ha), 1 300 ha de bas-fonds améliorésavec l'opération riz Comoé, la plaine de Douna (400 ha), périmètre rizicole de Karfiguela(350 ha).

Ces potentialités expliquent la présence du nombre croissant de migrants sur les terres duSud-Ouest où se développent simultanément divers projets et activités sans une visionprospective et sans cohérence dans les aménagements. A cela s'ajoute la faible croissancedes ressources en terre et en eau en vue de leur planification et de leur gestion durable.

Face à ce constat, la Direction régionale de l'hydraulique des hauts-bassins, à travers leProgramme de développement et de valorisation des ressources en eau dans le Sud-Ouestdu Burkina Faso (RESO), sur financement du Fonds européen de développement (7èmeFED), a entrepris la réalisation d'un schéma directeur de planification qui servira de cadreà la collecte de données indispensables pour la planification et la gestion des ressourcesnaturelles, dans une approche fondée sur l’écosystème ; ces données seront intégrées dansun système d'information géographique (SIG).

Pour la réalisation de ces objectifs, l'utilisation de l'outil télédétection a été privilégiée.Ainsi, la caractérisation de la situation actuelle (occupation des sols, hydrologie, etc.) serabasée sur l'analyse des images Landsat-TM de 1994. L'évaluation de la dégradation dessols se fera à l'aide de deux séries d'images (Landsat MSS et TM) séparées d'une dizained'années (1984 et 1994). Dans certains cas, l'étude des photographies aériennes complèterales observations de terrain prévues de 1994 à 1997.

ABSTRACT

Burkina Faso, a Sahelian country, is located in West Africa. The yearly rainfall variesfrom 500 mm in the north to 1 200 mm in the south, giving rise to permanent waterwaysin the south-western part of the country (Comoé, Mouhoun, Bougouriba).

Karim Traoré, Ministère de l’eau, Direction régionale de l’hydraulique,Bobo Dioulasso, Burkina Faso

Session 2 :La télédétection comme moyen d’appui (Burkina Faso)138

In spite of the Sahelian nature of the country, the south-west area covering a surface of60 600 km2 contains important land and water resources. That area has an intensiveactivity of mobilization and use of water: the sugar plantation area of Sosuco (3 800hectares), the rice area of the Kou Valley (1 000 hectares), 1 300 hectares of reclaimedlowlands for the Comé rice project, the plain of Douna (400 hectares), the rice surface ofKarfiguela (350 hectares).

These potentialities constitute the reasons for the growing number of migrants on thesouth-west lands where various projects and activities are simultaneously developedwithout any management planning or coherence. In addition is the weak growth in landresources for sustainable management.

Faced with this reality the Regional Department of Hydology in the « hauts bassins »,through the development and management of a Water Resources Programme (Reso) in thesouth-west of Burkina Faso, financed by the European Development Fund (7th EDF), hasundertaken to carry out a Master Plan which will serve as a framework for the collectionof indispensable data for the planning and management of natural resources with anecosystem approach. These data will be integrated in a geographical information system(GIS).

To carry out these aims the use of remote sensing has been favoured. Thus, to characterizethe present situation Landsat TM images of 1994 will be used. The assess-ment of soildegradation will be done with the help of two series of images (Landsat MSS and TM)with a 12-year interval (1984 and 1994). In certain cases the study of aerial photographswill complete the ground observations foreseen from 1994 to 1997.

INTRODUCTION

Dans le cadre du Programme de développement et de valorisation des ressources en eau du Sud-Ouest du Burkina Faso (RESO), financé par le Fonds européen de développement (FED), latélédétection occupe une place de choix dans l'inventaire des données spécifiques pour laplanification et la gestion des ressources en eau.

Cette communication a pour but de situer le contexte dans lequel intervient la télédétection,d'analyser les objectifs techniques visant à privilégier l'utilisation de cette source d'informationset, de présenter notre approche méthodologique afin de susciter des réflexions et commentaires.

DESCRIPTION DE LA ZONE

La zone d'intervention du Programme RESO couvre une superficie d'environ 60 600 km2 avecune densité de 35 habitants/km2. Elle regroupe les provinces de la Bougouriba, de la Comoé, duHouet, du Kénédougou et du Poni (figure 1). Elle est située entre les longitudes 3° O et 5° 50’ Oet les latitudes 9° 10’ N et 12° 10’ N.

Cette partie Sud-Ouest du Burkina recoupe pour l'essentiel les bassins versants de la Comoéet du Mouhoun qui sont les deux cours d'eau pérennes du pays (figure 2). Le réseauhydrographique est plus dense que partout ailleurs au Burkina.

La zone est comprise entre les isohyètes 900 mm et 1 200 mm. L'évapotranspiration moyenneannuelle est d'environ 1 750 mm. Le climat est de type soudanien avec deux saisons biencontrastées. La saison sèche s'étend de novembre à mai et la saison pluvieuse de juin à octobre.


Environ 40 % de la région sont constitués de terrains sédimentaires et 60 % de rochesmétamorphiques ou granitiques.

RESSOURCES EN EAU

Ressources en eaux souterraines

On distingue deux systèmes d'aquifère :

• le système aquifère de la zone du socle,• le système aquifère de la zone sédimentaire.

FIGURE 1Plan de situation


FIGURE 2Burkina Faso : carte des bassins versants


Les aquifères dans les roches cristallines (socle) ont une structure discontinue et lesressources en eau exploitables sont limitées aux fissures et aux niveaux altérés d'une épaisseur de10 à plus de 50 mètres.

Dans les zones sédimentaires, on rencontre essentiellement une variété gréseuse. Parfois, lesroches sont poreuses et contiennent des ressources en eau très importantes.

L'étude des ressources en eau souterraine de la zone sédimentaire de la région de BoboDioulasso par SOGREAH en 1993 a été limitée uniquement à une superficie de 1 600 km2

environ. Elle a mis en évidence des aquifères multicouches et identifié sur 20 km seulement quatreaquifères dont celui des grès à granules de quartz qui contient deux nappes hydrochimiquementdistinctes (figure 3).

Les débits maxima obtenus par essais de débit au niveau de ces aquifères atteignaient 200 et360 m3/h (pompage 1 semaine, remontée 1 semaine).

La zone se caractérise également par la présence de nombreuses sources dont les plusconnues sont celles de la Guinguette (Qe >6 000 m3/h,), de Nasso (Qe >800 m3/h) et de Pesso(Qe >400 m3/h). D'autres sources à débit important existent dans la zone mais sont encore malconnues.

Ressources en eau de surface

Le réseau hydrographique de la zone est très dense et compte des rivières pérennes telles que leMouhoun et la Comoé (cf. figure 2). Les ressources en eau de surface sont également abondantes.On y rencontre de nombreuses mares et chutes (mare aux hippopotames, chutes de Banfora et deTourni, etc.) ainsi que de nombreux barrages et retenues d'eau dont les plus importants sontindiqués à la figure 2.

Tous ces barrages sont situés dans le bassin de la Comoé ou du Mouhoun. Le bassin duNiger ne comporte aucun grand ouvrage.

Des projets de barrages sont également à l’étude. Il s'agit du barrage de Noumbiel sur lecours inférieur du Mouhoun et du barrage de Samandéni sur le Mouhoun supérieur, d'unecapacité de 400 millions de m3.

Ressources en terres

La zone du Sud-Ouest recèle d'importantes ressources en terres et connaît une intense activitéd'utilisation de celles-ci à travers :

• les plaines irriguées existantes : périmètre sucrier de la SOSUCO (3 800 ha), périmètrerizicole de la vallée du Kou (1 000 ha), périmètre de Banzon (360 ha),

• l'Opération riz Comoé avec 1 300 ha de bas-fonds améliorés essentiellement exploités par desfemmes,

• la valorisation de la culture irriguée par des initiatives de base autour des retenues d'eau ainsique le long de la rivière Kou.

L'arboriculture, la production irriguée informelle essentiellement maraîchère ainsi que d'autrestypes de production occupent une place non négligeable dans l'utilisation des ressources en terremais restent mal connues.


FIGURE 3Carte des unités hydrogéologiques (zone sédimentaire de Bobo-Dioulasso)


PROBLÉMATIQUE DE LA PLANIFICATION DES RESSOURCES EN EAU DANS LE SUD-OUEST

Cette problématique se traduit par :

• la présence de bois sacrés et de zones boisées non accessibles,

• l’existence de cours d'eau avec débit d'étiage nul,

• la faible connaissance des ressources en terre et en eau, à l'exception de la Guinguette,

• la pression démographique qu'accélère l'afflux de migrants venant du Centre et du Nord dupays ce qui favorise les aménagements spontanés sans concertation entre les différentsutilisateurs.

Ainsi, au niveau des surfaces cultivées et des berges, des indices de dégradation sont de plusen plus perceptibles sans que l'on puisse caractériser leur ampleur spatiale ni leur impact réel surles ressources en eau, conditions essentielles pour l'évaluation de leurs évolutions.

Afin de pallier cette situation et de gérer de façon durable les ressources naturelles, et plusparticulièrement les ressources en eau, une collecte de données, spécifiques de l'approche fondéesur l’écosystème, sera réalisée au moyen de l'outil télédétection. Le fonctionnement de laGuinguette avec diverses sources en rive droite et gauche en est un exemple (cf. figure 4).

APPROCHE MÉTHODOLOGIQUE

Les images à utiliser seront celles de Landsat MSS et TM. Ce choix est guidé par l'objet de laphoto-interprétation (occupation et dégradation des sols, hydrologie), l'échelle de travail ainsi quela disponibilité des images.

Dans la présente étude, il s'agit d'une collecte des données à l'échelle régionale pourl'élaboration d'un schéma directeur de planification des ressources en eau et, dans ce but, l'échellefinale de restitution au 1/200 000, correspondant aux feuilles topographiques de l'Institutgéographique du Burkina (IGB), est acceptable.

L'évaluation des indices de dégradation et de l'évolution du paysage sera basée surl'interprétation des images Landsat MSS de 1984 et des images Landsat TM de 1994.

L'analyse de la situation actuelle sera effectuée essentiellement à partir de la série d'imagesrécentes Landsat TM de 1994. Il s'agit d'une analyse visuelle de tirages au 1/200 000 de cartesimages (images découpées au format des cartes IGB). Les photographies aériennes ainsi que lesinformations issues des enquêtes de terrain seront utilisées en complément.

Par ailleurs, il est prévu selon les besoins :

• une photo-interprétation d'autres compositions colorées sur écran,

• un traitement numérique spécifique pour certains thèmes.

Les résultats définitifs interprétés sur transparent seront présentés sous deux formes :

• des cartes au trait sur support reproductible,

• des cartes numérisées pour exportation vers le SIG.

Les résultats attendus concernent essentiellement la caractérisation qualitative et spatiale deséléments suivants :


FIGURE 4La guinguette à Nasso. Schéma des points de mesure du débit des différentes sourcesprincipales


• types de végétation, zones de culture, plantations, habitat, etc.;

• bassins versants, réseau hydrographique, retenues d'eau, sources, etc.;

• phénomènes érosifs et dégradation du réseau hydrographique;

• raison d'être et fonction hydrologique ou hydrogéologique des bois tropicaux.

La géomorphologie, l'étude des linéaments et l'agropédologie seront également traitées. Tousles résultats feront l'objet d'études approfondies puis seront intégrés dans un SIG pour êtrevalorisés dans le cadre du schéma directeur de planification.

QUELQUES REMARQUES SUR LE CHOIX DES IMAGES

La différence de résolution géométrique au niveau de l'analyse diachronique va affecter la qualitédes résultats, mais l'interprétation des photographies aériennes, pour compléter certaines donnéesspécifiques, pourra contribuer à rehausser le niveau de détail de la situation ancienne (1984).

Par ailleurs, les deux saisons de prise de vue (novembre et avril/mai) étant différentes pourles deux séries d'images, les clés d'interprétation seront différentes pour les deux situations.

CONCLUSION

La mise en oeuvre du projet est assurée par la Direction régionale de l'hydraulique des hauts-bassins qui a confié l'acquisition des images à la Société géoconseil en novembre 1995 pour unmontant de 374 170 FF.

Les travaux d'inventaire, y compris l'interprétation des images et la cartographie des états desurface, seront réalisés par un groupement de bureaux d'étude Sahel Consult-Fet appuyé par unexpert du groupe des utilisateurs de la télédétection du Languedoc-Roussillon de Montpellier. Ledélai contractuel est de 12 mois (hors hivernage) pour un coût de 3 350 000 FF.


Unités de paysage pour l’hydrologieau Nord du Mexique

RÉSUMÉ

La région hydrologique No 36 (RH 36), couvrant 92 000 km2 au Nord du Mexique, faitdepuis 1992 l’objet d’études scientifiques centrées sur le thème de l’eau (dynamique,disponibilité et différents usages agricoles).

Avant d’aborder la phase d’hydrologie expérimentale, il a été établi un recensement desprincipales unités de paysage représentatives de la RH36, dont les caractéristiques, lesorganisations et la distribution régissent le ruissellement des eaux superficielles. Cettetypologie fait appel au concept de paysage et fournit des informations spatialiséesexprimées sous forme d’un système d’information géographique dont l’élaborations’appuie sur l’information disponible (un modèle numérique de terrain, diverses cartesthématiques à petite échelle et l’imagerie satellitaire), qui a été rassemblée dans une basede données spatiales. A partir de celle-ci, les facteurs considérés, à cette échelled’intervention, comme les plus déterminants vis-à-vis des dynamiques hydriquessuperficielles (pentes topographiques, roches et matériaux géologiques, sols, occupationdes sols) ont été sélectionnés, analysés et classés par approches successives.

Le croisement des trois premiers plans d’informations a permis la définition de 21ensembles paysagiques physiques, dont 19 ont été considérés comme hydrologiquementfonctionnels, et de 84 sous-ensembles biophysiques après intégration de la végétation, pourlesquels a été réalisée sur une partie de la région une cartographie actualisée à partir desimages SPOT de 1992.

ABSTRACT

The Hydrological Region N° 36 (HR 36) covers an area of 92 000 km2 and is located inthe north of Mexico. Since 1992 it has been the object of scientific studies on water cycles,availability and different agricultural uses of water.

Before hydrological measurements were begun, an inventory of the main landscape unitswhose features, structures and distribution determine the runoff of surface waters wascarried out. A typology of the landscape units is used in a Geographic Information Systemto integrate data of a Digital Elevation Model, small-scale thematic maps and satelliteimages, in a spatial database. The determining factors of the runoff, on this regional scale,are slopes, rocks and geological formations, soils and land uses. These factors have beenselected, analysed and classified step-by-step.

Jean-Yves Loyer, Stéphanie Moriaud, Orstom, Laboratoire d’hydrologie, Montpellier, France,et Luc Descroix, Orstom, Gomez Palacio, Mexique

Session 2 : Unités de paysage pour l’hydrologie au Nord du Mexique148

FIGURE 1Localisation de la RH36 et du secteur étudié


The joining-up of slopes, soils and land use plans makes it possible to define 21 physicallandscape units, of which 19 are practical for hydrological use. After adding thevegetation, 79 biophysical units were defined. Maps of the vegetation in the western SierraMadre, taken from SPOT images of 1972 and 1992, are shown in this paper to illustratethe evolution of land cover in part of the HR 36 region.

INTRODUCTION

L'une des 37 régions hydrologiques du Mexique, la RH 36 (figure 1), fait depuis 1992 l'objetd'études scientifiques centrées sur le thème de l'eau. Le projet intitulé "Uso y Manejo del Agua enlas Cuencas Hidrograficas del Norte de Mexico" est conduit conjointement par le CENIDRASPA1 et l'ORSTOM DEC2, à partir du Centre de Gomez-Palacio (Durango). Il s'inscrit dans lecadre d'une convention binationale établie entre l'INIFAP3 du Mexique et l'ORSTOM de France.L'objectif principal du projet est d'estimer la disponibilité en eau de cette grande régionhydrologique qui couvre plus de 90 000 km2 de superficie au Nord du Mexique, afin d'enoptimiser les différents usages agricoles, (usages domestiques, irrigation, abreuvement du bétail,pisciculture).

Le volume total annuel moyen des ressources en eaux renouvelables utilisables est de 1,3 109

m3 dont 300 millions de m3 d’eaux souterraines. La consommation (à 98 % agricole) est de 2,5109 m3 dont 1,5 109 m3 d’eaux souterraines qui correspondent à 5 fois le volume de la rechargeannuelle des aquifères, provoquant leur abaissement de 1,75 mètre par an depuis les annéescinquante. C’est dire qu’une meilleure gestion de ces eaux d’irrigation s’avère indispensable.

Au cours d'une première étape, les facteurs conditionnant la ressource, ainsi que sesprincipales utilisations, ont fait l'objet d'un inventaire et d'une analyse thématique, (ORSTOM,CENID RASPA, 1994). Une première interprétation a pu être établie sur la contributionhydrologique des deux principales unités hydrographiques de la région, les bassins versants desrios Nazas et Aguanaval (figure 2), ainsi que de leurs sous-bassins versants respectifs définis parles emplacements de 10 stations hydrométriques.

Le but de la seconde étape du projet, engagée depuis 1994, est de recenser les principauxsystèmes paysagiques représentatifs de la RH 36 sous leurs aspects organisationnels puisfonctionnels vis-à-vis des écoulements superficiels. Cette étape comporte deux volets :

• un recensement des principaux modèles d'organisation des paysages distribués dans la RH 36,et dont les caractéristiques physiques et biotiques régissent les ruissellements hydriques,superficiels et hypodermiques;

• des expérimentations in situ visant à appréhender les dynamiques de fonctionnementhydrologique de ces différents modèles.

1 Centro Nacional de Investigacion Disciplinaria en Relacion Agua Suelo Planta y Atmosfera.2 Institut français de recherche scientifique pour le développement en coopération. Département des

eaux continentales.3 Instituto Nacional de Investigaciones Forestales y Agropecuarias.


Cette présentation concerne seulement l'aspect typologique des unités de paysage surlesquelles sont actuellement conduites les mesures expérimentales nécessaires à l'élaboration d'unmodèle de fonctionnement hydrologique global de la RH 36.

OBJECTIF

A partir des informations spatialisées existantes, l'objectif est de fournir à l'hydrologie uneidentification des systèmes naturels ou anthropisés représentatifs de la région. La démarche fait

FIGURE 2Schéma d’organisation des flux dans la RH 36


appel au concept de paysage. L'étude de leurs caractéristiques, de leur structuration et de leurextension géographique doit être menée en ayant à l'esprit leur rôle préjugé vis-à-vis desruissellements superficiels. Cet inventaire typologique a servi au choix des bassins versantsreprésentatifs sur lesquels ont été réalisées des expérimentations dont les résultats pourrontensuite être extrapolés à d'autres situations en utilisant l'imagerie satellitaire.

OUTILS

La démarche générale s'appuie sur l'information spatialisée disponible sur la région : un modèlenumérique de terrain (MNT), les cartes thématiques et les images satellite.

• Le modèle d'altitude utilisé est un produit de l'INEGI (1992), qui contient une informationnumérique du relief de l'ensemble du territoire mexicain. Le réseau des points, tirés des cartestopographiques au 1/250 000, est distribué toutes les trois secondes de latitude et de longitudeselon 256 degrés carrés, pour tout le pays.

• La saisie des cartes thématiques à l’échelle de 1/ 106 s'est faite sur table DRAWING-BOARD III de grand format, associée à un micro-ordinateur, et sous logiciel MYGALE(ORSTOM).

• Le logiciel de traitement retenu est SAVANE (ORSTOM) dont le programme fonctionne surune station de travail SUN ; un modèle SPARC IPC a été utilisé.

• Les images satellite SPOT et LANDSAT MSS des années 1972 et 1992 ont été traitées surune partie de la région, sous le logiciel PLANETES (ORSTOM), dans le but de caractériserl’évolution de la végétation sur une période de 10 ans.

DÉMARCHE

La grande extension géographique de la région a imposé une approche à petite échelle qu'ilconviendra d'agrandir sur chacun des sites sélectionnés pour les expérimentations hydrologiques.L'approche typologique s'est faite en trois temps :

1 - Une sélection des principaux facteurs du milieu les plus déterminants à l'échelle régionale vis-à-vis des dynamiques hydriques. Les quatre facteurs sélectionnés, pentes, roches ou matériauxgéologiques, sols, et occupation du sol, ont servi à l'élaboration de la base de données spatiales.Chacun des thèmes a ensuite fait l'objet d'une interprétation approfondie à partir de laquelle desclassifications par approches successives ont été effectuées. Le croisement des différents plansd'information obtenus a ensuite permis l'élaboration du SIG et une identification des principauxsystèmes représentatifs de la région.

2 - Dans un deuxième temps, la démarche a consisté en une caractérisation de chacun desensembles paysagiques issu du SIG, en termes de composition physique et biotique, en insistantsur la compréhension des principales règles qui président à leur organisation interne. Leurextension géographique et leur distribution dans les trois sous-régions géoclimatiques de la RH 36ont été analysées, ainsi que les relations avec les unités voisines. La définition du contenu de cesunités nous a obligés à suivre une démarche analytique remontant aux informations les plusdétaillées. Une estimation de la capacité de réserve hydrique des sols représentatifs des unités aainsi été faite à partir de leur texture, de leur profondeur et de leur densité apparente; ces


estimations donnent des ordres de grandeur qui doivent être modulés pour tenir compte de la forteteneur en éléments grossiers de ces paysages montagneux.

3 - Un des points pouvant prêter à discussion est l'ancienneté de l'information cartographiqueoriginelle. Des variations liées à des évolutions récentes sont apparues depuis l'élaboration descartes en 1981, en particulier celles dues à l'érosion. Il en est de même a fortiori pourl'occupation végétale de ces sols qui a pu subir d'importantes transformations, allant le plussouvent dans le sens d'une dégradation. Une actualisation de l'information sur la couverturevégétale des sols à partir de l'imagerie satellitaire a donc été entreprise. Cet outil est bien adaptéici du fait de la grande extension géographique de la région et de la bonne qualité des images dueà la faible nébulosité de ces zones arides et semi-arides. Les résultats de la cartographie de lavégétation serviront à affiner le système actuel.

RÉSULTATS

Analyse des différents thèmes

Les pentes

Elles ont été calculées à partir des données altimétriques disponibles dans le MNT. Une carte despentes de la RH 36 a été créée en format raster par collage de 16 degrés carrés et intégrée dans lelogiciel Savane; sa précision est du demi-degré. Dans une première analyse, cet intervalle d’undemi-degré a été retenu pour tracer les histogrammes de fréquence relative correspondant àchacun des bassins versants (figure 3); 144 unités sur une amplitude de 0 à 72 degrés ont étéobtenues pour la région et exploitées statistiquement.

La lithologie

Les 19 types lithologiques initialement identifiés ont été ramenés, après un premier regroupementdes roches métamorphiques, à 16 clefs originelles de roches et matériaux d'origine éruptive ousédimentaire, mais différant surtout par leur comportement à l'eau en fonction de leurscaractéristiques pétrographiques et structurales.

Les sols

En première analyse, 13 variables concernant le type de sol principal de l’unité de paysage et 13autres caractérisant le sol secondaire de cette même unité ont été retenues. En outre, ont été prisesen compte : quatre variables se rapportant au faciès, trois variables texturales et neuf variablesphysiques faisant intervenir surtout l'induration rocheuse, ou signalant la présence d'une croûtecalcaire ou gypseuse, ou d'éléments grossiers de différentes dimensions.

Ces derniers attributs, texture et caractéristiques physiques, jouent un rôle essentiel dans lesdynamiques hydriques superficielle et interne, déterminant en particulier la capacité totale deréserve en eau des différents sols. Au total, 42 attributs pédologiques ont été sélectionnés pourcaractériser la région.


Végétation et occupation des sols

Les 33 types de groupements végétaux initialement recensés ont été regroupés en 12 unités, surdes critères de similitude d'occupation du sol et de type de recouvrement. Outre les deux unités decultures pluviales ou irriguées, les cinq groupements naturels les plus représentatifs sont: lematorral desertico microfilo, le matorral rosetofilo, la nopalera, les aires de pâturage naturel etles bois de chênes et de pins. Par contre, deux unités très peu étendues, les lacs et les localités,n'ont pas été prises en compte dans les traitements ultérieurs, ce qui ramène à 10 les types lesmieux représentés.

L’analyse de l’évolution de la végétation a été réalisée à l’aide de deux classificationsbarycentriques sur une zone couvrant 9 500 km2 de superficie correspondant aux scènes LandsatMSS de décembre 1972 et 1992 (figures 1 et 4). Le tableau 1 résume les résultats de cetteévolution. Dans ce tableau, la zone des savanes correspond grossièrement au groupement destrois unités de matorral desertico microfilo (steppe à épineux), de matorral rosetofilo (steppe àvégétaux aux feuilles en rosettes), et de la nopalera (steppe à cactus) lorsqu’elles sontsuffisamment couvertes par la végétation. Lorsque la végétation est très peu couvrante, les troisunités correspondent à des zones considérées comme dépourvues de végétation. Les autres unités,comprenant les pâturages et les forêts, se correspondent assez bien dans les deux classifications.

Premières classifications

Pentes

A partir des 144 intervalles initiaux, sept classes basées sur des critères géomorphologiques ontété retenues (figure 5).

FIGURE 3Histogramme de fréquence des pentes


FIGURE 4Evolution de la végétation dans la Sierra Madre Occidentale.


Roches et matériaux

A partir des 16 types lithologiques, unepremière classification a été établieprenant en compte les deux critèresd'induration et de structure; elle permetun regroupement en huit classes deroches et matériaux de caractéristiquesphysiques et struc-turales proches, quidéterminent un comportement vis-à-visde l'eau pré-jugé similaire :

1. Roches indurées massives (granite,granodiorite, diorite, basalte, com-plexe métamorphique).

2. Roches indurées en bancs (ryolite,grès, calcaires).

3. Conglomérats.4. Conglomérats cimentés.5. Alternances stratifiées, (grès et

marnes, calcaires et marnes).6. Matériaux éruptifs très hétérogènes

(toba: cendres, tufs, conglomérats).7. Matériaux sédimentaires tendres,

(marnes)8. Formations quaternaires, alluviales,

colluviales.

Sols

Un premier croisement des 42 attributspédologiques fait apparaître 295 combinaisons réellement possibles. Celles-ci intègrentintrinsèquement un certain nombre d'autres caractéristiques édaphologiques telles que laprofondeur des sols. Une analyse détaillée et une interprétation de chacune de ces combinaisonsont débouché sur sept classes prenant en compte essentiellement l'épaisseur du sol, sa texture, etla présence d'une induration lithique ou pétrocalcique :

• sols superficiels lithosoliques• sols superficiels régosoliques• alternances de sols lithosoliques et régosoliques• sols peu profonds (50 cm)• sols moyennement profonds (80 cm)• sols profonds (>1 m), de texture moyenne• sols profonds (>1 m), argileux.

TABLEAU 1Evolution de la végétation par catégorie

SUPER-FICIESen km2

%

ZONES N’AYANT PAS CHANGÉSans végétationPâturagesSavanesForêt claireForêt dense

45416571065815105

4,817,411,18,61,1

ZONES AYANT CHANGÉEN DÉGRADATIONde pâturages à sans végétationde savanes à pâturagesde forêt claire à savanede forêt dense à forêt claireTOTAL

759851860286

2756

8,09,09,03,0

29,0

EN PROGRESSIONde sans végétation à pâturagesde pâturages à savanede savane à forêt clairede forêt claire à forêt denseTOTAL

51265640699

1673

5,46,94,31,0

17,6

ZONES AYANT CHANGÉ FORTEMENTEN DÉGRADATIONde savanes à sans végétationde forêt claire à sans végétationde forêt claire à pâturagesde forêt dense à savaneTOTAL

12718

251113

1673

1,30,22,71,25,4

EN PROGRESSIONde sans végétation à savanede pâturage à forêt clairede savane à forêt densede sans végétation à forêt clairede pâturage à forêt denseTOTAL

176162336114

455

1,91,70,40,60,24,8


ELABORATION DU SYSTÈME D’INFORMATION GÉOGRAPHIQUE

Définition des sous-régions

Une interprétation des deux premiers thèmes physiques (altitudes, lithologies) a permis unregroupement par l'origine des matériaux et par les altitudes (en relation avec un gradientpluviométrique d’altitude) et la définition, au sein de la RH 36, de trois sous-régions géo-climatiques relativement homogènes par rapport à ces deux paramètres :

• Une sous-région haute, sub-humide, éruptive et montagneuse de 30 937 km2.

• Une sous-région moyenne, semi-aride, sédimentaire, accidentée de 30 696 km2.

• Une sous-région basse, aride, plane et endoréique de 29 571 km2, dont l’altitude est inférieureà 1 400 m et la pluie annuelle inférieure à 300 mm.

Définition des unités de paysage

Le croisement des deux premiers thèmes, pentes et lithologie, aboutit à un découpage de la régionhydrologique en 56 unités litho-topographiques. Croisées avec les sept classes édaphologiquescelles-ci différencient 392 combinaisons possibles de paysages.

Un premier tri, supprimant les combinaisons de faibles superficies (inférieures à 0,7 km2),permet de sélectionner 286 ensembles représentatifs du milieu physique de la RH 36 avant d'yintégrer le thème végétation. Ce nombre élevé d'unités différentes ne permet évidemment pasd'envisager de conduire sur chacune d'elle des expérimentations hydrologiques.

Néanmoins, toutes celles-ci ont été répertoriées et analysées statistiquement pour l'ensemblede la région et pour chacune des trois sous-régions. L'interprétation détaillée de toutes cesdonnées et la mise en évidence de certaines ressemblances, ou différences, ont permis d'envisagerdes regroupements qui ont servi à l'élaboration d'un second niveau de classification.

FIGURE 5Histogramme de classification des pentes


Classification secondaire

Pentes

Les sept classes initiales ont été regroupées en quatre grandes classes :

Classe 0,0 - 0,5 degré : représentant les plaines et les bas glacis très peu pentus.Classe 0,5 - 6,0 degrés : la plupart des glacis jusqu'au raccordement au piémont.Classe 6,0 - 45 degrés : tous les versants et la plupart des collines.Classe 45 - 72 degrés : les corniches et abrupts de roches affleurantes.

Lithologie

Sur des critères d'induration, les sept classes initiales ont été regroupées en trois grandes classes :

• roches indurées, (roches indurées, massives, en bancs, et conglomérats cimentés),• matériaux hétérogènes (alternances stratifiées, matériaux éruptifs très hétérogènes,

conglomérats),• matériaux tendres, (sols et matériaux géologiques tendres).

Sols

Les sept classes initiales ont été regroupées en trois sur des critères de profondeur :

• sols superficiels, (lithosoliques, régosoliques et alternances),• sols de profondeur moyenne, (faible et moyenne profondeur, lithiques, pierreux, encroûtés),• sols profonds, (texture moyenne ou argileuse).

Cette seconde classification représente donc trois plans d'information du milieu physiquecomprenant au total 10 grandes classes. Leur croisement, effectué sur SAVANE, aboutitthéoriquement à 36 unités physiques; en réalité, quatre d'entre elles ne sont logiquement pasreprésentées dans la RH 36, car elles correspondent à des situations aberrantes. Les 32 unitésréellement reconnues, numérotées de A1, A2, A3, jusqu'à L1, L2, L3 (tableau 2), ont fait l'objetd'une analyse statistique qui fait ressortir pour la région et pour chaque sous-région :

• la superficie globale de chacune d'elle,• le nombre d'unités du même type rencontré,• la superficie moyenne, minimale et maximale de chaque unité,• les écarts-types et coefficients de variation de chaque paramètre.

Le classement de ces différentes unités est ordonné par superficies décroissantes sur le tableau 3et l'interprétation des données statistiques précédentes fait apparaître, parmi ces 32 unités, 11unités globalement très peu étendues et très morcelées, avec des superficies cumulées inférieuresà 100 km2. Leur représentativité, ainsi que leur rôle dans le fonctionnement hydrique, est de cefait excessivement réduit. A l'issue de ce premier tri, ce sont donc 21 unités physiques quiapparaissent les plus représentatives des paysages de la région. L'unité H2 (sols de profondeurmoyenne sur matériaux hétérogènes différenciés sur versants à pentes fortes) est la plus largementreprésentée, en particulier dans la sous-région haute. C'est par contre l'unité G1 qui est dominantedans la sous-région intermédiaire (sols superficiels sur matériaux indurés : calcaires, basaltes etryolites ; sols différenciés sur versants à pentes fortes) (tableau 3).


Dans la sous-région basse, ce sont naturellement les sols profonds, sur matériaux alluviauxcolluviaux tendres et différenciés sur pentes faibles, qui sont les mieux représentés (unité F3).

Ces 21 ensembles paysagiques, prenant en compte les trois critères du milieu physique jugésles plus déterminants, ont été tracés sur une carte générale à l'échelle d'environ 1/3 000 000 quifait apparaître les grands traits de leur distribution spatiale au sein de la RH 36 (figure 6).

INTÉGRATION DE LA VÉGÉTATION AU SIG

Le croisement des 10 classes d'occupation du sol avec les 21 unités physiques précédemmentrépertoriées comptabilise 210 possibilités théoriques d'ensembles paysagiques. L'analysestatistique des résultats de ce croisement conduit en premier lieu à éliminer les unitésbiophysiques non représentées dans la région et ensuite à ne pas prendre en considération cellesdont la superficie totale cumulée est inférieure à la centaine de km2. Ce tri aboutit, pourl'ensemble des 21 unités physiques recensées, à 84 sous-unités biophysiques, ce qui correspond,selon les cas, à des sous-unités végétales distinctes (de 1 à 7) pour chaque ensemble de paysages.

Le tableau 1 montre également qu’en un même lieu la végétation peut évoluer soit dans lesens d’une dégradation, pour environ 35 % de la superficie de la zone de 9 500 km2 couvertepar les deux images Landsat des années 1972 et 1992, soit dans le sens d’une régénération ducouvert végétal pour 22 % de cette même superficie. Ces changements sont dus d’une part àl’intense activité forestière dans les parties les plus hautes de la Sierra Madre occidentale (au-dessus de 2 600 mètres), d’autre part au surpâturage qui s’est généralisé de manière draconiennedans certains secteurs qui supportent des charges de deux à cinq fois supérieures à la chargenormale de bétail à l’hectare. La régénération du couvert végétal peut être une conséquence dusurpâturage, cette régénération se faisant au profit d’espèces non appêtées par le bétail (le pin) etau détriment des espèces les plus consommées (le chêne). Au total, 12 % de la superficie des 9500 km2 se sont dégradés entre 1972 et 1992 et la superficie couverte par la forêt dense a étédivisée par deux.

TABLEAU 2 Présentation des unités physiques de paysage dans la RH 36.

CLASSES DE PENTES en degrés

MATERIAUX SOLS < 0,5 0,5 à 6,0 6,0 à 45 45 à 72

Superficiels A1 D1 G1 J1

Indurés Moyens A2 D2 G2 J2

Profonds A3 D3 G3 -

Superficiels B1 E1 H1 -

Hétérogènes Moyens B2 E2 H2 K2

Profonds B3 E3 H3 K3

Superficiels C1 - I1 -

Tendres Moyens C2 F2 I2 L2

Profonds C3 F3 I3 L3


FIGURE 6Principales unités de paysage dans la RH 36.


CONCLUSION

Au plan des caractéristiques physiques (pentes, lithologies, sols), et en première approche, onpeut préjuger que parmi les 21 unités de paysage identifiées, celles qui sont différenciées sur lespentes très faibles (inférieures à 0,5 degré), exclusivement représentées dans la sous-région basse,n'ont pas de rôle fonctionnel vis-à-vis des ruissellements en dehors des événementspluviométriques exceptionnels. Il s'agit des unités C1 (sols superficiels sur matériaux sableux) etC3 (sols profonds sur matériaux tendres).

Au plan biotique, l'analyse de l'occupation de ces unités paysagiques fait apparaître:

• d'une part que la classe "sans végétation" n'est représentée que dans la sous-région basse,(unité F3) et appartient aux paysages de lagunes non concernés par les flux hydriques;

• d'autre part que la classe "matorral subinerme" est très peu représentée et peu différente dugroupement "matorral desertico microfilo" auquel elle peut être associée.

TABLEAU 3Superficies des unités de paysage par sous-région.

RH 36Sous-région

hauteSous-région

moyenneSous-région

basse

Unités km2 Unités km2 Unités km2 Unités km2

H2 22 984 H2 19 197 G1 6 234 F3 7 882G1 12 046 E2 3 657 H2 3 475 G1 4 990F3 9 721 H1 1 509 I2 2 728 C3 3 727E2 5 819 H3 1 197 F2 2 564 F2 1 678I2 5 093 G2 997 H1 2 210 D1 1 600F2 4 786 I2 952 F3 1 722 I2 1 413H1 4 647 G1 823 E2 1 612 I3 1 236C3 3 743 F2 544 G2 1 612 I1 1 137G2 3 357 K2 416 I1 1 480 H1 927D1 3 075 E3 410 D1 1 378 G2 747I1 2 698 J1 400 H3 1 073 D3 623I3 2 431 I3 172 I3 1 022 E1 559H3 2 392 E1 121 J1 917 E2 550J1 1 597 F3 117 E3 786 C1 518E3 1 468 D2 117 E1 570 D2 410E1 1 250 D1 96 D2 421 G3 394D3 970 I1 81 G3 369 H2 311D2 948 B2 35 D3 344 J1 280G3 782 A1 20 J2 42 E3 272C1 522 G3 18 L2 26 H3 122K2 439 C2 17 K2 23 A3 91A3 104 K3 13 C3 16 A1 43A1 73 J2 7 C2 14 C2 16J2 52 L2 6 A3 13 L3 16C2 47 B1 4 A1 10 L2 8B2 43 D3 3 L3 10 K3 7L2 39 B3 3 K3 8 B3 6K3 28 A2 1 B2 8 J2 3L3 26 C3 1 B1 4 B1 3B3 11 L3 1 C1 4 A2 2B1 11 C1 0 B3 2 B2 1A2 4 A3 0 A2 1 K2 0

Total 91 204 30 937 30 696 29 571


Ceci ramène donc à huit les groupements végétaux à prendre réellement en compte.

Au total, du point de vue des ensembles paysagiques hydrologiquement fonctionnels, ce sontdonc 19 ensembles géomorphopédologiques différents qui ont été retenus comme représentatifs dela RH 36 dont ils constituent 95 % de la superficie, et 84 sous-ensembles biophysiquessusceptibles de présenter un comportement hydrique particulier en raison de leur occupationvégétale.

La principale difficulté dans cette approche typologique est la prise en compte des liaisonsexistant entre ces différents ensembles, liaisons qui vont régler leur fonctionnement hydrologique.Ces ensembles peuvent en effet se présenter soit sous la forme d'une hydroséquence continue avecun ordonnancement amont-aval (corniche, versant, piémont, glacis, vallée), soit sous la formed'un ensemble discontinu dont les éléments fonctionnent séparément du fait de la présence deplusieurs reliefs de commandement. Ce système discontinu crée alors de nombreux emboîtementslatéraux d'interfluves avec des zones d'écoulement préférentiel.

Dans la réalité, ces ensembles paysagiques forment des combinaisons complexes, plus oumoins ordonnées, faisant intervenir de nombreux facteurs déterminant le ruissellement. Cesfacteurs sont parfois évolutifs et ils doivent être appréhendés à des échelles d’espace et de tempscompatibles, permettant de rendre compte du fonctionnement de ces hydrosystèmes. La végétationconstitue un de ces facteurs évolutifs qui doit être appréhendé en tenant compte de sesdynamiques saisonnière et interannuelle.

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Approche locale

Local approach

Session 2164


De l’aérien au satellite : estimation desressources en eau

RÉSUMÉ

La télédétection peut s'entendre avec des capteurs multiples, et les informations utilesà l'aménageur peuvent (et doivent) dépasser les seules données satellitaires, souventdifficiles à utiliser au niveau local. Notre exposé est basé sur un ouvrage de synthèseportant sur l'utilisation de données spatiales en Afrique de l'Ouest pour laconnaissance de petits bassins versants en vue de leur aménagement. Réalisée pour lecompte du Ministère de la coopération, cette synthèse s'appuie sur plusieurs projets,de la Mauritanie au Niger, utilisant des données spatiales de divers supports : photoaérienne de type amateur ou professionnelle, ou images satellite à haute résolution.

Une première partie pose les bases de la réflexion : l'utilisation rationnelle de cesoutils passe en effet par une réflexion préalable sur les échelles de travail en fonctiondes objectifs testés. Les images satellite et les photographies aériennes se situent auxdeux bouts de la chaîne de vision actuellement disponible : les échelles de travail vontdu 1/100 000 (schéma directeur, niveau régional où l'imagerie satellitaire devient trèsefficace.) au 1/5 000 (aménagement local pour lequel les photographies aériennes sontprécieuses). Ces documents deviennent très utiles pour les zones d'accès difficile, parleur rapidité d'obtention et comme outils de communication. Généralement insuffisantsà eux seuls, ils tirent tout leur intérêt de la complémentarité externe avec lesinformations traditionnelles, et interne par utilisation des différentes échelles.

Quelques exemples d'application pour une meilleure connaissance des bassins versantsen Afrique de l'Ouest illustrent ces réflexions : cartographie globale, érosion, plansd'eau, plaques de sol nu, etc.

ABSTRACT

Useful remote sensing data for management do not only consist of satellite images;other sensors are also involved. At the local level, the use of satellite data may provedifficult because of too high resolution. A synthetic work has been carried out on theuse of remote sensing in West Africa towards better knowledge of small catchments.Executed on behalf of the French Cooperation Ministry, this study is based on a fewprojects for the management of catchments ranging from Mauritania to Niger, usingvarious sensors: both professional and amateur aerial photographs and high resolutionsatellite imagery.

Christian Puech, CEMAGREF/ENGREF, Montpellier, et Joël Carette, Consultant, Evry, France

Session 2 : De l’aérien au satellite : estimation des ressources en eau166

The first section sets out some preliminary considerations and controls: rational usesof these tools in management from global to local stage require interrogation on thescales and objectives to be adapted one to the other. For these objectives, usefulscales vary from 1/5 000 to 1/100 000. Aims also vary greatly, going from localones having great interest in aerial photographs to regional ones where satelliteimages are very effective. All these data are useful in areas which have difficulty ofaccess, where conventional means are expensive. Rapidity in obtaining data is ofgreat interest. RS data are generally not useful used alone, but became so whencombined with other ground data and using various scales.

Some examples of applications illustrate their possibilities of use in western Africacatchments: for global cartography, erosion, ponds, bare soil areas, etc.

INTRODUCTION

Cette communication a pour objet de rappeler que la télédétection peut s'entendre avec descapteurs multiples et qu'il est important d'adapter la vision au problème considéré. Elle est baséesur deux documents rédigés pour le compte du Ministère de la coopération et concernantl'utilisation de photos aériennes et d'images satellite pour la connaissance des bassins versants enAfrique de l'Ouest (Puech et Carette, 1989; Carette et Puech, 1994).

Elle a pour origine un ensemble de projets réalisés sur toute la frange sahélienne à partir dedifférents types de capteurs photo ou satellite et a donné naissance à un document de synthèse(Carette et Puech, 1994) qui aborde trois aspects :

• des considérations générales sur les capteurs en fonction du type d'objectif et d'échelle ;

• quelques aspects de techniques de base pour utiliser photos aériennes et image detélédétection;

• des exemples d'application simples où la télédétection, sous toutes ses formes, apparaîtopérationnelle et utile.

Les types de projets dont il est question ici sortent du cadre de la recherche pour être à la foisplus simples et plus opérationnels. Les résultats obtenus sont donc à la fois simples maisfacilement récupérables par des équipes de techniciens et ingénieurs sur le terrain.

CONSIDÉRATIONS GÉNÉRALES

Echelles de travail et aménagement

En simplifiant, on peut caractériser trois niveaux de préoccupations d'aménagement(identification, faisabilité et réalisation) correspondant à trois niveaux d'objets d'étude (région,bassin versant, site). Bien entendu les échelles d'approche ainsi que les tailles des zones dépendentde ces trois niveaux (cf. ordre de grandeur, tableau 1). Les moyens aériens et satellitairesintéressent surtout les niveaux région et bassin versant, le niveau site devant être étudié avec desmoyens au sol. Deux remarques sont importantes :

• d'une part les données recueillies ne sauraient, sauf exception, se passer d'observations decontrôle au sol. De même il est souvent intéressant de combiner plusieurs types de capteurs :les moyens ne sont pas exclusifs ;


TABLEAU 1Les trois niveaux d'approche

Objet d'étude Actions Echelle moyenne Taille de la zoneRégion

Bassin versantSite

IdentificationFaisabilitéRéalisation

1/100 0001/20 0001/5 000

> 1000 km²10 à 1000 km²

< 50 km²

• à chaque niveau d'étude l'aspect spatial peut être combiné à l'aspect temporel, les images detélédétection apportant un élément plus certain dans l'étude des évolutions, à travers une"mémoire cartographique".

Différents capteurs

A chacun de ces niveaux on peut associer les différents capteurs disponibles : photo aérienneamateur, photo aérienne de type professionnel, images satellite à haute résolution. Ne sontréférencées ici que les techniques simples et d'utilisation courante. Les images des satellites radarou les scanners embarqués dans les avions ne sont pas évoqués ici.

Il est intéressant d'associer aux différents supports un ordre de grandeur de l'échellecartographique équivalente :

Photos aériennes spécifiques : elles dépendent du type d'objectif et de l'altitude du vol. On peutespérer faire facilement des cartes entre le 1/1 000 et le 1/10 000. On est maître du choix de ladate et de la comparaison multidate.

Photos aériennes de missions officielles, par couverture systématique de type Institutgéographique : les échelles classiques vont du 1/5 000 jusqu'au 1/50 000; La qualité et laprécision des clichés sont variables surtout pour des missions anciennes. Leur intérêt tientsouvent à la possibilité de missions de dates éloignées où sont observables les évolutions dansl'occupation du sol : érosion, domaine cultivable ou construit. Une limite est la saisond'acquisition de ces images sur laquelle on n'a aucune possibilité de choix.

Image satellite (Spot XS 20 m panchromatique à 10 m ou Landsat TM à 30 m, MSS à 80 m):L'intérêt est inverse : possibilité de choix de dates pour des images récentes. L'utilisation deplusieurs canaux permet une approche plus efficace de l'occupation du sol. Mais ces donnéesmanquent de durée, bien que l'on soit à plus de 20 ans d'archives sur le capteur MSS. Les échellescartographiques équivalentes sont de l'ordre de :

• 1/50 000 pour SPOT XS (à la rigueur 1/25 000)• 1/100 000 pour LANDSAT TM (à la rigueur 1/50 000).

TECHNIQUES SIMPLES D'UTILISATION

Le document explicite certaines techniques d'utilisation des photos aériennes (mosaïque, choix dela focale et de l'altitude du vol, choix de l'émulsion, stéréoscopie, etc.).

EXEMPLES D'APPLICATION

Thèmes discernables

Dans le domaine touchant les ressources en eau et l'aménagement des bassins versants on peututiliser ces informations pour les domaines suivants (cf. tableau 2):


TABLEAU 2Domaines d'application et thèmes discernables

Etats de surface Bassin versant MNTCourbes de niveauou carte des pentes

Ecoulement Plans d'eau

• Zones d'érosion• Potentiel

d'érosion• Cartographie de

la végétation• Cartographie des

sols

• Limites dubassinversant

• A partir dephotos aériennes

• ou d'imagessatellite

(particulièrementutile en zones oùmanque unecartographieprécise)

• Zones écoulement• Lit mineur• Lit majeur• Lit d'inondation

• Inventaire,• Surface• Courbes

hauteur-surface-volume

Qualité del'eau(turbidité)

Dans le document Carette et Puech (1994), les exemples d'application ont été classés du localau régional, avec les capteurs les plus adaptés pour chaque niveau. Nous donnons ci-après troisexemples d'application, un pour chacun des capteurs envisagés.

RÉFÉRENCES

Carette, J. et Puech, C. 1994. Fiches méthodologiques d'utilisation de la télédétection satellitaire etaérienne pour l'aménagement de petits bassins versants en Afrique de l'Ouest. Min. Coopération.Paris., 144 p.

Puech, C. et Carette, J. 1989; Apport de la télédétection à l'aménagement des bassins versants parpetits ouvrages en Afrique soudano-sahélienne. Stage AFVP. 165 p


FICHE 1 : UTILISATION DE PHOTO AÉRIENNE (MISSIONS SPECIFIQUES)

CARTOGRAPHIE DE BASSIN VERSANTAménagement intégré du bassin versant de l'oued Amour, Mauritanie

(Carette et Puech, 1994)Objectif : réhabilitation de barrage servant pour les cultures de décrue, limitation de l'érosion

Particularités : absence de cartes, absence de mission aérienne.Réalisation d'une carte au 1/10 000 par mosaïque de 12 clichés aériensMatériel avion : Cessna 150 ; altitude 2 000 pieds, vitesse de vol 150 km/hMatériel photo : format 24*36, focale 50 mm, Ektachrome 200 ASALa mission a été réalisée avec du matériel photo type "amateur" et un vol sur avion type "aéro-club" montrant l'efficacité et la faisabilité de ces approches même avec des coûts très restreints.

Photo-interprétation

Les travaux demandés consistent en la création d'une cartographie de la plaine en positionnanttous les éléments utiles au choix d'aménagement.

1/ Les 12 clichés sont d'abord assemblés en mosaïque et mis à l'échelle de 1/10 000.Le travail de photo-interprétation consiste alors en :

• la détermination des axes d'écoulement de crue ;• le tracé des limites de la plaine alluviale ;• l’identification des désordres : repérage des zones d'érosion ;• l’identification des désordres : repérage des zones d'ensablement.

2/ A partir de cette carte, sont menées discussions et propositions d'aménagements anti-érosifs etorientations des actions hydro-agricoles. De façon plus concrète, l'espace est découpé en zones àprotéger contre l'érosion où est proposée l'implantation de diguettes de terre.

3/ Résultats : aménagements proposés (cf. figure 1 de la prise de vue aux propositionsd’aménagements)Sur le document résultant sont superposés les éléments issus des différents choix :

• plan d'eau minimal / maximal• limite de la zone cultivée• implantation de digues à construire par les villageois.

Ce document doit ensuite servir pour la communication avec les villageois, pour l'implantationdes travaux, etc.


FIGURE 1Utilisation de photos aériennes spécifiques. Bassin versant d’Idienna (Mauritanie).


FICHE 2 : UTILISATION DE PHOTO AÉRIENNE (MISSIONS OFFICIELLES)

ÉVOLUTION DE TERROIR ENTRE DEUX DATESEROSION / OCCUPATION DU SOL

But : Schéma directeur d'aménagement de bassin versant (Puech et Carette, 1989)

Méthode : comparaison de photos aériennes 1952-1982Site : bassin versant du Baongo à Hitte (Titao, Burkina Faso)Réalisation d'une carte générale des potentialités du bassin versant pour envisager desaménagements.

Méthode

La méthode consiste en :

1/ Mosaïque de cinq photos IGB au 1/50 000 pour chaque date d'acquisition.Les photos sont avec recouvrement ce qui permet de travailler aussi en stéréoscopie.

2/ Photo-interprétation par carroyage de 5 ha.Le bassin versant de 4 000 ha est découpé en grille régulière de 5 ha. Sur chaque carréélémentaire sont repérés les divers éléments jugés utiles pour le diagnostic à savoir :

• Érosion : affectation d'un indice 0/1/2 (érosion nulle, faible, forte) à chaque date. La comparaison des évolutions résulte directement du double indice et l'on peut tirer

facilement les zones d'évolution positive ou négative.• Occupation du sol : ce plan est traité pareillement. Ici l'on note simplement l'appartenance ou

non au domaine agricole. La figure 2 montre les cartes d'évolution de l'occupation du sol entre1952 et 1982. On remarque la forte régression du domaine agricole entre ces deux dates.

• Pentes : par analyse stéréoscopique on classe chaque carré élémentaire en pente faible(<2%), pente moyenne (2 à 5%), pente forte (>5%). Des observations sur le terrain auclisimètre permettent de calibrer les pentes, en particulier les seuils de 2 et 5%.

• Géomorphologie : les classes définies sont les domaines alluvial, piémont, versant et plateauavec des zones mixtes.

Les quatre facteurs donnent une synthèse par carré de 5 ha des potentialités de la zone.

3/ Table de décision pour un aménagement.C'est la partie principale mais certainement la plus subjective. En fonction des quatre critèresdéfinis (et de leur évolution temporelle) sont décidées les affectations des différents sols. Elle estréalisée sur un mode d'expertise par une grille de décision. Certaines affectations sont évidentes(domaine agricole, sans érosion et en terrain plat). Dans l'exemple choisi ces affectations sont :• des zones pures : domaine hydro-agricole, domaine pluvial, domaine pastoral• des zones mixtes : hydro-agricole pure / pluvial, sylvo-pastoral• des zones à problèmes de conservation des eaux et des sols (CES) : pluvial + CES, ou zones

mixtes + CES.

Une carte de synthèse est réalisée (figure 2, résultat de la table de décision). C'est une base detravail pour d'éventuels aménagements du bassin versant.


FIGURE 2Utilisation de photos aériennes de missions officielles. Bassin versant de Hitte (Burkina Faso).


FICHE 3 : UTILISATION D'IMAGE SATELLITE

CAPACITÉ DE PLANS D'EAU(Courbes hauteur/surface/volume

destinées à être utilisées en simulations de gestion)

But : schéma directeur d'aménagement de mares semi-pérennes (Carette et Puech, 1994)

Lieu : TILLABERY, NIGERCapteur : images SPOT XS de la même saison sèche

Méthode

La méthode est explicitée à la figure 3.

Elle est basée sur une équation simplifiée de bilan hydrique en saison sèche : on considère que labaisse du niveau d'eau dans une retenue est essentiellement liée à l'évaporation (il est possible detenir compte d'un taux d'infiltration). Ceci est confirmé par les observations de variations deniveau qui présentent en saison sèche des parallélismes remarquables.

Elle combine trois types d'informations :

• des données satellite (trois images de la même saison sèche donnant trois surfaces en eau àtrois dates),

• des données d'évaporation donnant la baisse des plans d'eau entre les dates d'observation,• des données sur le contexte régional fournissant la courbe type reliant hauteur et surface

ajustée au relief local.

Ces courbes sont de forme S = So. (H-Ho)à où

S est la surface, H la profondeur,à est un coefficient, constant régionalement (au Niger à # 1.25),So et Ho sont des paramètres de calage (Ho représente la profondeur d'assèchement)

Résultats, précision, intérêt

Le résultat est la fourniture de courbes hauteur/surface et hauteur/volume, outils à la base de lagestion des plans d'eau dans cette région.

La précision est de l'ordre de 5% en surface et 30% en volume pour un plan d'eau de 10 ha (àpartir d'images SPOT XS à 20 m de résolution). Cette précision est jugée suffisante étant donnéel'utilisation de ces courbes.

L'intérêt réside dans la rapidité d'obtention de l'information et dans son systématisme qui permetd'obtenir des informations pertinentes pour les plans d'eau candidats à l'aménagement sur touteune région. Elle doit être opposée aux techniques traditionnelles d'obtention (bathymétrie, mesuresau sol), techniques précises mais lourdes, coûteuses et très longues : par ces techniques la DRE(Direction des ressources en eau) ne peut envisager de traiter plus d'un ou deux plans d'eau par anavec les moyens actuels. Cette méthodologie ne saurait cependant être appliquée à l'étude d'unseul plan d'eau : le rapport qualité / prix ne serait plus en sa faveur.

On peut donc considérer que cette méthode est opérationnelle. Elle apparaît d'autant plusintéressante qu'elle peut être appliquée à un plus grand nombre de plans d'eau.


FIGURE 3Utilisation d’images Spot pour calculer la cubature de plans d’eau. Mares sahéliennes de Tillabéry (Niger)


Assessing water harvesting suitability

RÉSUMÉ

Une méthodologie est proposée pour l’évaluation des régions semi-arides sous l’angle del’agriculture sous impluvium [‘Water Harvesting, WH]. Elle étudie la concentration deruissellement d’une zone impluvium vers une zone adjacente au sol assez profond pourretenir l’eau reçue pendant la saison agricole. La méthodologie consiste en deux étapes.D’une part elle évalue la pertinence en termes de génération de ruissellement, d’autre partelle étudie son rapport avec l’agriculture. Chacune de ces deux étapes passe par trois‘filtres’, qui se forcent de délimiter les zones prometteuses, selon des tests de précisionvariable, des plus simples mais moins coûteux aux plus avancés mais plus chers,correspondant, respectivement, aux tests sur terrain et aux tests en laboratoire.

La méthodologie propose l’intégration des connaissances sur l’environnement à partir dedeux sources que l’on affirme comme fondamentalement compatibles; la télédétection et lesavoir indigène de populations locales. La télédétection nous donne une vision à un instantdonné, tandis que le savoir local a accumulé une ‘vérité terrain’ durant plusieurs années.Tous deux sont basés sur des phénomènes effectivement visuels, ce qui donne la clé pourles intégrer. Le savoir local est obtenu au moyen d’un système d’expert, ALES, basé sur lastructure FAO, qui sert de cadre conceptuel pour la méthodologie proposée. Ainsi on a unoutil qui peut à la fois définir la structure d’une manière concrète et qui offre la possibilitéd’incorporer la connaissance des experts locaux. ALES est jumelé à un SIG raster à prixréduit, IDRISI, qui fournit une représentation visuelle et géoréférencée moyennant laquelleon peut travailler avec la population locale pour s’assurer que les intérêts des différentsgroupements sociaux sont représentés. Ceci est facilité par l’utilisation des techniquesd’investigation rurale venant de l’anthropologie.

La logique de la méthodologie est résumée dans les figures 1 et 2. La figure 1 représente laprocédure d’évaluation en sa totalité, la figure 2 est un extrait qui illustre l’usage desfiltres en considérant l’évaluation du potentiel en termes de ruissellement et en termes dezones de culture. L’usage d’un simulateur de pluie à coût réduit et à faible consommationen eau comme outil privilégié est traité dans le texte; ainsi que le problème du passageentre les mesures sur petites parcelles (test par simulateur) et les régions susceptibles dereconnaissance par images satellitaires. En résumé, les résultats sont prometteurs, maisconcernent un travail en cours. Il n’est pas encore possible de se prononcer sur l’utilitéfinale des mesures ni sur la logique de la méthodologie employée.

ABSTRACT

This paper presents the indicative results of ongoing research aimed at developing anoperational methodology with which resource professionals and project planners canassess the suitability of a given semi-arid area for water harvesting [WH]. WH is basically

Eric Patrick, Geography Department, University College London and School of Oriental andAfrican Studies, University of London, London, UK

Session 2 : Assessing water harvesting suitability176

the concentration of rainfall runoff from a runoff zone to a runon zone, effectivelymultiplying rainfall. It is argued that WH has great potential because it mitigates theprimary source of risk in drylands, the spatial and temporal variability of rainfall, but thatthis potential remains underexploited due to a failure to take social factors and localknowledge into account. A distinction is drawn between Macro and Micro WH, the formerbeing easier to assess from remote sensing [RS] but having more demanding socialimplications in terms of collective action and land tenure. A lack of environmental dataalso hampers successful design. The need for practical and operational guidelines forassessing WH suitability is articulated.

The FAO Framework for Land Evaluation is explained and the logic adapted for WHassessment. A computerized expert system based on the Framework, ALES, is describedand the application to WH discussed. ALES allows data input from local experts,facilitated by Participatory Rural Appraisal [PRA], and output in commonly understoodmap form by linking to a Geographical Information System [GIS]; both encourageparticipation by local resource managers. It is suggested that PRA be used to stratify thelocal population into homogenous ‘Social Response Units’ [SRU] which have commonresources and/or anticipated impacts with respect to WH introduction; furthermore, GISshould be used to build scenarios with each SRU in order to assess differential costs andbenefits of WH..

An example of one environmental requirement to be assessed, sufficiency of water, isoutlined in order to illustrate the logic of the methodology. A nest of ‘filters’ is proposedwhich correspond to degrees of precision and commensurate costs; land is evaluated at alevel which corresponds to its emerging potential for WH while the assessment procedureruns in an iterative manner, and as a function of objectives and resources. A range ofassessment tools are discussed, each associated to a certain level of investigation. Themethodology proposes separate tools for runoff and runon areas. For the former rainfallsimulation [Rsim] is emphasized, and for the latter a variety of tests based on the singlering infiltrometer. The relevance of indigenous knowledge [IK] to assessment of runoffand runon is examined. The problem of upscaling from 1m2 Rsim plots is considered, andin particular the Partial Area Contribution phenomenon. The ways in which groundinvestigations can be linked to remote sensing are explored and the prospect of using RSto extend the spatial validity of IK suggested. It is argued that RS and IK arefundamentally compatible because both deal with surface, visual characteristics of the landand the latter can add a temporal dimension missing from the former.

INTRODUCTION AND BACKGROUND TO WATER HARVESTING

It has been estimated that 200 - 500 million cubic meters of rainfall is lost in the form of runoff inthe Sahel every year, which could potentially irrigate up to 40 000 hectares (Ben-Asher andBerliner, 1994). Some of this runoff could be utilized by arresting the runoff at suitable points inthe landscapes--pockets of deeper, more fertile soils--by means of soil and water conservationstructures. This paper is concerned with the potential of one form of soil and water conservationtechnique, known as water harvesting [WH] and proposes ways of assessing the potential of WHin any semi-arid area under consideration . WH is of particular relevance to semi-arid areas, asthe emphasis is on the collection and storage of water.

There are many types of WH and many applications of the water which is collected. Thispaper is concerned only with WH in which water is stored in the soil, and for crop, tree or rangeapplications. WH can also be used for the provision of water for people or animals, and in thesecases stored in some form of reservoir and often collected from rooftops. WH basically consists


of a runoff and runon zone, adjacent to one another, where runoff is delivered either as channel oroverland flow. The former can be called ‘MACRO’ WH because of the relatively large--usuallynatural--catchments, and involves water spreading in the runon zone. In the latter case, called‘MICRO’ WH because the catchment area is rarely larger than a few hectares, and runoff isconcentrated into the runon area. WH, and particularly Macro WH, has been used widely in theMiddle East for at least 2 500 years, but is not as common in Subsaharan [SSA] Africa (Paceyand Cullis, 1986), where it is largely an introduced technology by way of development projects.There are, however, also many SSA cases of ‘indigenous’ WH, particularly Micro WH (Reij etal., 1996). For a general review of WH see, for example, Siegert (1994).

The underexploited potential of water harvesting

A review of promising low external input technologies for SSA by the US Office of TechnologyAssessment rates WH as the top option in terms of effectiveness and potential adoptability (OTA,1988). One of the great advantages of WH is its potential risk mitigation effect by integratingspatially poorly distributed rainfall [in the case of Macro systems]; and by making maximum useof the rains in spite of their poor temporal distribution, which extends the cropping season andspreads labour demand peaks.

Yet ironically, in a systematic survey of the experience of projects introducing WH in SSA,Reij et al. (1988) and Critchley et al. (1992) found the results to be disappointing in terms ofadoption, a central reason being an inadequate attention to social factors. Similar findings havebeen reported for soil and water conservation in general (Hudson, 1991). In terms of theenvironmental aspect of WH schemes, Critchley et al. (1987) noted that trial and error is thepredominant design practice, which is attributed principally to lack of rainfall-runoff data. Thiscan lead to bund breakage, which undermines farmer confidence, or conversely to overdesign,which may require excessive labour. Furthermore, many of the attempts to transfer WH from asuccessful area to an untried area have failed, due to the potential effects of different socialand/or physical conditions not having been taken into account.

There is clearly, therefore, a need for a generic, flexible methodology which allows plannersand users (from national to local level) to assess in a systematic, practical, and informed mannerthe potential for WH for semi-arid areas, as well as against other possible developmentinterventions. (Patrick, 1996a) Furthermore, a critical analysis of the nature of the problem beingaddressed and a careful assessment of the degree to which the proposed intervention matches thecomponent requirements and limitations is necessary in order to avoid wasted investment whenconsidering rainfall conservation schemes (FAO, 1995).

A. CONCEPTS AND RELEVANT TOOLS

The FAO Framework for Land Evaluation and Water Harvesting Assessment

An appropriate tool within which to structure such a methodology would be the FAO LandEvaluation Framework (FAO, 1976). The Framework is a usefull conceptual planning toolbecause it is explicitly structured around the concept of matching ‘demand’ and ‘supply’; aproposed Land Use Type [LUT] and its Land Use Requirements [LUR] on the demand side, and


FIGURE 1Assessing water harvesting suitability: using an iterative decision tree


Land Qualities [LQ] on the supply side. LQ’s are complex attributes of land such as ‘ability tosupply water’, which is a composite of constituent Land Characteristics [LC], which aremeasurable properties of the land such as soil depth. The other attractive aspect of theFramework is the implicit recognition of socio-economic factors in the planning process; thedefinition of a LUT could be, for example, ‘low input maize, rainfed, good market access’. ALUT can be current or proposed. More recent ‘versions’ of the Framework idea (FAO, 1993)deal more explicitly with the social context of land use and planning.

If the Framework is just that, a framework, the Guidelines series offer some practical adviceon content as regards a particular LUT. The most relevant Guidelines for WH suitabilityassessment are for rainfed agriculture (FAO, 1983), and irrigated agriculture (FAO, 1985). WHis nebulous in that it has attributes of both, and in varying proportions as a function of the type ofWH system being evaluated. Thus there is a need for guidelines specifically for WH for thoseinvolved in natural resource management in semi-arid lands, and in a format which accomodatesthe range of WH options available, applications possible, and actors involved. An EC review ofSWC/WH (Catizonne, 1995) recommends the development of a GIS and/or expert system thatcan aid resource professionals considering WH. Quantitative land evaluation is currently tendingtowards a linkage of GIS, expert systems and crop simulation models (Wopereis et al., 1994). Anexample of such an approach specifically for WH, using the FAO Framework as a conceptualstructure but operationalized within a GIS and Expert System, is outlined as Figure 1, in the formof an iterative decision tree developed as this research.

Land evaluation, expert systems and GIS for WH assessment

A tool within which to operationalize an assessment methodology for WH would be theAutomated Land Evaluation System [ALES] (Rossiter et al., 1995). ALES is a useful practicalplanning tool because it is based on the FAO Framework, which has been widely used/emulatedby natural resource professionals, but is structured as an expert system [ES], facilitating theinvolvement of ‘local experts’ - i.e., land users - in the information generation process.Furthermore, it can be outputted in a map format that is widely understood by interfacing with ageographic information system [GIS].

GIS is a powerful tool which can be used in the field, to ensure relevance through clientparticipation; results can consequently be achieved quickly and at low cost by using GIS forparticipatory mapping (Holme and Tagg, 1996; Hutchinson and Toledano, 1995). Further-more,certain GIS’s such as Idrisi (Eastman, 1995) can accomodate uncertainty in decision making,using fuzzy sets and Baysian probabilities to represent and propagate uncertain facts and beliefs,which can be taken advantage of by ‘tagging’ data generated by local experts with a degree ofconfidence provided by the expert. One should note, however, Burrough and Frank’s (1995)caveat that GIS’s implicitly embody a cultural concept of space; as such GIS can ‘impose’ a wayof viewing the landscape onto the local expert. Nevertheless, by using an ES in WH evaluationthe gap between outside and local experts, probably the primary cause of the failure of WH tolive up to its potential, can hopefully be diminished.

Expert Systems purport to emulate the human reasoning process (Chidely et al., 1993). Byusing an ES one hopes to elicit the heuristics [rules of thumb] local experts use to arrive atdecisions, in this case regarding land use. This information is of great value for understanding thesociety in which the expert operates, both for potential application in situ and for ascertaining thevalidity of exporting expert knowledge to other semi-arid areas.


Surveys, indigenous knowledge and remote sensing for WH assessment

Linking indigenous knowledge and remote sensing in participatory survey

Indigenous soil classification [ISC] is based on visual characteristics [including crop results].Remote sensing is generally restricted to the landscape surface; because both RS and ISC are‘visual’, they are potentially compatible. And not just compatible, but fundamentallycomplementary, as the former deals with a visual, spatial phenomenon as a snapshot in time,while the latter deals with the same type of phenomenon but continuously through time.

Indeed, RS could and should be used to test and extend the spatial validity of ISC beyond thecurrent, generally ethnically defined, territorial limits. Assuming that physical conditions aresufficiently similar--as indicated by RS--[and the social conditions, as indicated by fieldwork]then the value of the knowledge of one particular group about environmental management,acquired at the cost of many decades of observation and trial and error, can be multiplied byutilizing it elsewhere. There is also great potential in working together with local people tointerpret satellite imagery (Mutandi,1996; Patrick, 1996b). Mapping with RS, using indigenousknowledge [IK] as ancillary data, including rules of thumb about probable land use, Bronsveld etal. (1994) found land cover classification to be as accurate as by other methods. Furthermore,indigenous temporal data in the form of crop calendars were used to reconstruct vegetation coverfor the dates of the RS imagery, enhancing interpretation.

Operationalizing the interaction with indigenous knowledge

All of which leads to the question of how to elicit IK: the first step in an expert system, apotential complement to RS, and essential in order not to waste the vast--and generallyunrecorded--experience of local people for development in drylands. Neimejer (1995) rightlyargues that it is not the fact of but manner in which IK is elicited that determines whether oneacquires a true ‘insider’ perspective or just a reclassification in terms of the interviewer’s[subconsciously or consciously] imposed categories and interpretations. In anthropologicaljargon, emic and etic knowledge, respectivley.

Practical tools; participatory rural appraisal

Though no guarantee of emic or ‘insider’ knowledge, Participatory Rural Appraisal [PRA] canhelp to avoid gross errors. PRA is basically a ‘toolbox’ of techniques designed to help outsidersunderstand local circumstances, but in less time than by the traditional anthropological method ofparticipant observation. PRA originally consisted essentially of interviews but has more recentlyevolved into a myriad of ‘games’ and exercises such as walking transects together with farmers.The advantage of the latter is that an etic grill is less likely to be imposed, and serves as a usefulmechanism to gain insight into the reasoning process itself, which is clearly central inconstructing an ES (Freudenberger, 1995; Guillet et al., 1995). For a good collation of theavailable tools, see Schonhuth and Kievelitz (1994). A methodology for assessing WH potentialshould utilize PRA type tools as a proven way to operationalize the need to interact with andmake use of the knowledge acquired by local communities and to understand the socialcircumstances into which a new technology is being introduced. A population is usually stratifiedinto relatively homogeneous groups when using PRA. In this case these have been denoted ‘SocialResponse Units’ [SRUs] and are analagous conceptually to the Framework concept of LandUnits, in that they are defined on the basis of a presumed typical social effect of/response to WH.


B. TESTING THE CONCEPTS; THE PILOT STUDY AREA

This paper reports ongoing research in the form of a pilot study of limited scale in which theconcepts and tools outlined above are being tested. The pilot study is being carried out at amapping scale of 1:25 000, based on digital SPOT imagery, over an area of 1 000 km2 aroundLake Baringo, Kenya. The study is now in its third year. Mean annual rainfall is 650 mm, but isbimodal in distribution, limiting the effective length of the growing season. There are threeprincipal ethnic groups in the area; one solely pastoral, one agropastoral, and one principallyagricultural. Participation in the market economy has been growing rapidly since the paving ofthe road to Nakuru in the early 1980s. There is a lack of grazing, at the same time as decreasingherd movement due to labour shortages as children are sent increasingly to school and hence greatpressure on natural resources. Land adjudication, on a group ownership basis, is currently takingplace. Over the last 15 years there have been three major WH projects in the area, for crop, tree,and range production. This unusual concentration, variety, and range of approaches in one place,and dealing with ethnic groups of different degrees of pastoral orientation, makes the study siteparticularly attractive for methodology development.

THE CURRENT STATE OF SOCIAL RESEARCH IN THE PILOT STUDY AREA

As most of the fieldwork so far has concentrated on the development of methodological tools forassessing physical suitability, substantive conclusions cannot yet be reached on the social side.Interaction with local people, however, along with visits to project sites clearly indicates that theWH projects in the study area succumbed to many of the planning errors listed above in the socialarena. Current research is concentrating on testing the operational viability of the principles,techniques and software outlined above. In particular, the link between ALES and IDRISI isbeing explored, incorporating comparative, interactive and iterative image interpretation withdifferent strata/interest groups among the local populace in the field, as well as the decisionmaking under uncertainty tools which are an impressive asset of IDRISI. The main problem infully taking advantage of ALES is the requirement of economic data in order to decide betweenLUTs on financial grounds, as such data [and particularly anything related to livestock] hasproven to be a very sensitive issue and thus difficult to quantify.

The usefulness of ‘scenario building’ with each social response unit is also being explored, inorder to compare concepts of the landscape/resources and perceptions of space between SRUs[delimited principally on ethnic/degree of mobility grounds, but also within each ethnic group onthe basis of age set, etc.] using IDRISI. Scenario building is also being used to hopefully predictthe effects of different outcomes on each SRU for a range of possible WH systems in the form ofgeoreferenced Cost Benefit Analyses and Social Impact Assessments [see fig. 1].


FIGURE 2Assessing environmental suitability for water harvesting: example using the land quality‘sufficiency of water’


ASSESSING THE ENVIRONMENTAL SUITABILITY OF WH

The main concern on the environmental side of this research has been to operationalize theprediction of the key physical factor in WH, runoff. This is being attempted by linking rainfallsimulation [RSim] to remote sensing of surface characteristics in order to be able to identify andcharacterize the range of runoff generating units in the study area and then extrapolate these to anearby test zone to validate them.

Simultaneously, attempts are being made to reduce costs and increase practical usability bytesting simpler means of, at least qualitatively, ranking LUs’ runoff potential as well as byworking with local people to manually classify hardcopy imagery. The relevant characterisitics ofrunon zones and their amenability to detection by RS is also being explored; the runon zones haveLURs similar to that for irrigated agriculture, except that drainage is even more important in thecase of WH because of the significant depth of ponding after large storms. Finally, assessment ofenvironmental suitability has been systematized conceptually by fitting it into the Frameworkstructure and in practice by using ALES and IDRISI [see figs. 1 and 2]. The system is conceivedas hierarchical, though more in terms of cost of data collection than scale, though the two arerelated. Further and more precise but expensive modes of data collection are carried out only ifand to the degree that cheaper, indicative results prove promising [see fig. 1 and in particular fig.2 {note ‘Suitability Filters’ 1-3}].

Assessing LQA: sufficiency of water

Working through Figure 2 as an example of options for and levels of assessment of LQ’s

As WH systems are composed of runoff and runon areas irrespective of the particularproportions and degree of complexity of a given system, the basic principle for suitabilityassessment remains the same across systems. Nonetheless, there is a fundamental differencebetween Macro and Micro WH in that the former is a) more amenable to RS because it involveslarger surfaces and b) entails more complex hydrology because it likely involves several or evenmany types of runoff contributing constituent surfaces. Furthermore, Macro WH likely involves amixture of overland and channel flow; and probably requires the estimation of the partial areacontribution (PAC) which, in semi-arid areas (Tauer and Humborg, 1992) is due to the shortduration of the convective rainshowers, meaning that most runoff is lost before it reaches thedrainage system.

The runoff area is assessed in terms of its ability to generate runoff, and the runon areaprincipally but by no means exclusively in terms of its ability to store [and make available] therunoff generated. Fertility is usually the second most important limitation in the semi-arid areas inwhich WH is normally applied (Critchley et al., 1991). Furthermore, WH can potentially leachwhat nutrients are available (Stroosnidjer, pers. com., 1995), an often overlooked risk in WH. Onthe other hand, WH makes investment in nutrients [manure or inorganic] more worthwhile, as thefertilized crops are more likely to receive water (Tabor, 1995).

Figure 2 outlines the stages and options for defining LUs, assessing LQs and--if possible--setting class limits. Setting class limits for the LCs which constitute LQs implies a quantificationof the effects of LCs on yield, for which data may not be available. The FAO originally hoped tospecify class limit for LCs when creating the Guidelines for LE for Rainfed Agriculture, but thisdid not prove possible for this very reason (FAO, 1983). Now, however, FAO has producedEcocrop 2, which is effectively a computerized database of effects on yield of a range of


environmental factors, and represents a very important data source. The procedure outlined inFigure 2 is necessary in order to be able to match the LURs of WH LUTs to the LQs of the LUsdelineated in the survey. Note that Figure 2 represents the structure of the assessmentmethodology for every LQ, but that the content in this case is only for LQA: ability to makesufficient water available, for the LUT under consideration [crop/tree/grass.]

Assessing LQ Ai: ability to generate runoff

As can be seen from Figure 2, LQ Ai can be assessed in a qualitative and/or semi-quantitativemanner as a first attempt, depending on the initial degree of knowledge about the area, theobjectives of the survey, and the resources available [see Figs. 1 and 2].

Suitability Filter Level 2: Qualitative asssessment of runoff potential

There are many simple, visual indices of erosion status and/or hazard which include tips onrecognizing telltale signs of runoff which assign qualitative rankings or values for attributing -incombination with other factors - erosion classes. One of the more systematic guides andspecifically developed for semi arid areas [rangeland in Australia] is the CSIRO Rangeland SoilCondition Assessment Manual (Tongway, 1994). Local people can also be an excellent fount ofknowledge about soils.

Suitability Filter Level 2: Semi-quantitative assessment of runoff potential: ‘Catalogues’ ofrainfall-runoff relationships

If working in the Sahel, one has access to the brilliant ‘Catalogue des états de surface’ (Casenaveand Valentin, 1989). The Catalogue, from a user’s perspective, is essentially a collection ofphotographs of typical surface types found in the Sahel, with associated diagnostic features, andfor each surface type an equation is given which allows one to calculate runoff solely fromrainfall depth and antecedent moisture; the non meterological parameters are implicit becauseeach equation is an empirical relationship tied to a particular surface type.

In practice, Puech (1994) found that in many areas the catalogue gave runoff values up to300% different from rainfall simulations he carried out in situ, within the zone of validity. TheCatalogue is perhaps overambitious in hoping to provide models valid for a large part of theSahel. It would be preferable to apply the Catalogue concept, but on a local scale, using Rsim insitu; indeed this is a necessity in semi-arid areas outside the Catalogue’s ‘zone of validity’.

Assessing LQ Aii: ability to store runoff

The assessment of suitability as runon areas is similar to assessing suitability for rainfed andparticularly irrigated crops. The key hydrological Quality, ability to store runoff and denoted Aiiin this case, is essentially the available water capacity [AWC], ie the quantity of water heldbetween field capacity [FC] and the permanent wilting point [PWP]. AWC is basically a functionof soil texture and depth [with a volume reduction for stoniness], and although PWP is set at an‘average’, somewhat random value, it should be crop specific. The most applicable methods bywhich to determine crop water requirements and yield reduction as a function of water shortageare outlined in FAO (1986). These have been applied to WH planning by Critchley and Siegert(1991), who also uses them as a basis to calculate runoff : runon area:


Crop water requirement Design ra all

Design ra all Runoff coefficient Efficiency factor

Catchment area

Cultivated area

−× ×

=inf

inf(1.1)

For WH purposes, the crop [and development stage] specific AWC required in the potentialrunon zone to satisfy the crop water requirement can be given as :

RAWCDP ETO KC

RDeff WDpmin

max max= × ××

(1.2)

where:

RAWCmin is the minimum required water holding capacity [at available tensions]in mm/mDpmax is the longest period between two storms of a selected size, for a chosen probability

exceedance [from rain records] daysETO is potential evapotranspiration mm/dKCmax is the maximum evapotranspirative coefficient for the crop, dimensionlessRDeff is the effective rooting depth, ie to a hardpan or parent material and deducting stone

volume mFCDp is the permitted water deficit, as a proportion of AWCmax, there is a yield reduction

due to water stress, dimensionless(Adapted from Tauer and Humborg, 1992)

AWCmin is a LUR which must be met or exceeded in a matching procedure to the AWCminof available LUs. AWCmin for each LU can be assessed by a number of methods, depending onthe stage in the assessment procedure [see Fig. 2] and finances available. Ideally the soil samplesfrom each LU would be sent to the lab to determine the water release curves and from these theAWC directly. However, in the earlier stages or if this would be too expensive, it is also possibleto estimate, or at least rank, AWC for each Land Unit.

Suitability Filter Level 2: Indirect assessment of runoff storage

AWC can be estimated to an order of magnitude from texture (Landon, 1991), and texturedetermined with suprising accuracy from simple hand tests, as demonstrated in the study area bycomparing our field results with lab particle size distribution analyses. Because hand soil texturaldetermination is tactile, visual and intuitive it is a ‘bridge concept’ to local perceptions of the soil.AWC can also be deduced from associated vegetation if local vegetation water requirements areknown or can be learned from local people. Using relevant PRA tools, it is always important toinquire of local people regarding which soils are considered ‘thirsty’ and why.

Indigenous soil classification is generally based on several axes such as crop suitability,labour requirements, associated vegetation and position in the landscape, whereas scientific soilclassification [SSC] is hierarchical and soil type is deduced from predetermined, systematic, and -ideally - quantifiable indices (Kerven, 1995). As IK is largely visual, ISC is almost solely basedon topsoil characteristics. Sikana (1994) notes that in Zambia farmers recognized three soilclasses - based on topsoil - where SSC recognized only one, based on subsoil. SSC is based onsubsoil properties in the interest of universal applications of the results. ISC is in almost alwaysrelated to specific uses and circumstances; in this sense the logic used by local people to matchcrop and available resources to soil type is very similar to the logic of the Framework; hence the


two are potentially compatible and mutually comprehensible and an appropriate logic on which tobuild a WH assessment methodology.

It should be remembered, however, that in spite of often possessing great local environmentalknowledge, local people should not be seen as some sort of ‘noble savages’ with innate knowledgeof ‘mother earth’; ISC is fundamentally practical and is limited by the experience of theindividual. Furthermore, as Ryder (1994) points out, farmers rank soils better than justified forfamiliar uses. The best role for IK when assessing the potential for introducing new techniques isto derive information about the LCs known to be critical for WH from the experiences of localexperts with WH in areas in which it is already practiced. This, then, should be the primary roleof the outside professional when assessing WH potential; as a bridge between knowledge from theoutside world - primarily in written form - and local knowledge and aspirations, primarily in oralform.

Suitability Filter Level 2: Direct assessment of runoff storage

The most direct assessment of AWC is of course in the lab, which may be a justifiable expense atsuitability assessment level 3, for areas already selected for WH, as this data are required forcalculating C:C ratios for project implementation. When still selecting promising areas however(i.e., level 2 assessment) there are cheaper ‘direct’ ways of observing the behaviour of a potentialrunon area under simulated conditions of ponding behind a bund. This can be achieve using asingle or double ring, which although rightly criticized - as a means of assessing infiltration underrainfall due to surface disturbance and a standing head - is perfectly suited to assessinginfiltration behind a bund, which has a standing head up to 30 cm, and over a disturbed area dueto cultivation. Although technically a double ring is preferable because, by reducing boundaryeffects, it more accurately reflects the theoretical definition of infiltration as vertical movementinto the soil, in practice it is unlikely to be worth the extra water involved under difficult surveyconditions. In fact the lateral movement can be an advantage, as the shape of the wetting front isan indication of subsoil texture and alerts the observer to the presence of less permeable layers ifthe soil is dug away at the end of the test (Roose et al., 1995); which is critically important topredict drainage problems, which would lead to waterlogging given the large inundations receivedwith WH.

Filter level 3: Assessing LQ Ai (Ability to Generate Runoff)

Quantitative Ways of Assessing Runoff

Moving on now in Figure 2 to the final level in terms of precision but also cost, local rainfallsimulation would be the appropriate technique at this stage in the methodology. The choice to useRsim would likely be made after an initial selection of promising LUs on which further,quantified, data are required, or in the case of a small area/large scale survey being carried outfrom the beginning. The goal of Rsim is to obtain a value which is a best estimate of actual R-R,for the chosen storm intensity and duration, from which to calculate Catchment:Cultivated arearatios for WH feasability assessment or implementation, assuming that the necessary rainfall dataare available or can be estimated.

Assessing LQ Ai using rainfall simulation in the study area

Forty-eight rainfall simulations have been carried out at 15 sites so far, at intensities of 10 to 30mm/hr, for durations of at least one hour each. Contrary to the typical use of Rsim for erosion


studies, which is interested in erosive events involving intensities greater than an erosive threshold[generally taken to be 25 mm/hr for the tropics, but often using much higher intensities in order toascertain the effects of extreme events], Rsim for WH requires knowledge of the threshold depthand intensity which produces runoff. In order to help assess the effects of the crust and ofdepression storage, the experiments were repeated with the crust perforated, roughened, andcompletely removed. It should be noted that there can be a ‘threshold intensity’ at which the crustappears to break (Patrick, 1993), which may explain a ‘wave effect’ sometimes observed withrunoff readings using Rsim in the area.

The rainfall simulator design chosen for this study is a ‘drip type’, whereas the mostcommonly used simulator design is a ‘spray type’ because it attains more realistic KE at lowersimulator heights as the drops emerge at velocity and/or can be sprayed upwards to increaseeffective fall height. The drip type was chosen in this case because of the much lower waterconsumption; to carry out two simulations of one hour each at 30 mm/hr onto a 1m2 plot wouldrequire approx 80 L versus approx 2 000 L for an average spray type. As water is obviously inshort supply in semi-arid areas, the drip type is more practical for remote areas, provides greatercontrol over water source and therefore quality, is much more portable and is much cheaper fordeveloping country use. A spray type typically costs $5-10 000 (Ben Asher and Berliner, 1994);the one used in the pilot study costs less than $500 to make.

In short, rainfall simulation can be a valuable tool for runoff response when assessing WHpotential, however availability of the rainfall data required to make the exercise worthwhile byallowing one to select a realistic design intensity, and the limitations of the particular simulatorchosen, must be borne in mind before deciding whether to assess runoff potential by this methodand when interpreting the results.

Upscaling from rain simulation results for assessing Macro WH suitability

The question of the validity of upscaling from a m2 Rsim plot to a macro catchment which can bethousands of times larger is obviously not straightforward. This is a massive topic which will notbe discussed here except to outline a key concept of relevance to assessment of runoff potentialfor Macro WH. The partial area concept [PAC], originally developed for humid climates (Betson,1964), denotes the differential contribution of different zones within a catchment to runoff at theoutlet. The explanation proposed for humid areas is the existence of more saturated belts ofreduced infiltration capacity around the drainage network, which therefore contribute a greaterproportion of the final runoff. The PAC phenomenon has also been observed for arid climates(Yair et al., 1978). The explanation in this case proposed by Tauer and Humborg (1992) is thatthe short duration of rain events means that rain falling on the ‘catchment’ at a distance from thedrainage network will infiltrate in situ and therefore not contribute to runoff.

Predicting runoff by additive calculation from Catalogue surface types on eight Saheliencatchments of various sizes was found, on average, to yield double the actual runoff (Puech,1994). Similarly, on a 114 ha rocky catchment in Mali, Ben Asher and Humborg (1992) foundthat not taking PAC into account led to overestimates of up to 600% compared to straightforwardupscaling from Rsim on and Catalogue values for the surface types constituting the catchment.Furthermore, they found that there is very little change in the size of the partial area in responseto rainfall. It should, therefore, be possible to delimit a partial area for a given catchment whenassessing runoff potential for Macro WH, within a reasonable margin. The position and slope ofthe drainage network can be calculated from digital photogrammetry of scanned air photos, from


satellite imagery using newly developed processing techniques (Ichoku et al., 1996), by directmeasurement or, if available, from digitized topo maps.

The current state of physical research in the pilot study area

The development of a methodology for assessing the physical potential for WH has two goals: a)to develop or test the utility of existing inexpensive field based tests and to compare theiraccuracy to more expensive procedures and b) to characterize LUs in terms of runon and runoffpotential in order to determine which types of LUs and which characteristics of the LUs arediscernible from optical remote sensing. Some of the tests have been described above. The restwill only be listed.

At Level 2 of Figure 2, qualitative and semi-quantitative assessment, 56 sample sites have beencharacterized by:

--Hand texture analysis; consistence--hand plasticity and stickiness, strength using penetrometerat three shallow depths; pH using colorimetric method [can be >1 unit different from glasselectrode (Stocking, 1987) but sufficient for survey purposes (Landon, 1991)]; carbonates[10%HCL]; average aggregate size; pore abundance and type with hand magnifier; visualevidence of water movement and erosion; micro and macro topography; basal and aerial cover;soil colour (Munsell, dry); hand sprayer, with and without crust; surface stoniness; GPS location;hand spectoradiometry; evidence of crust--depth and nature; cracking; photograph.

At Level 3 of Figure 2, quantitative assessment, at 18 sites where Rsim carried out, the aboveplus the following.

--Bulk Density; Field Capacity; Air Filled Porosity; Total Porosity; Backpack Sprayer; SingleRing--and dig under to describe wetted area and to check effective depth, stoniness and roots;Drainage under undug Ring after 24 hours; Rainfall Simulation--photographing suface changes[especially aggregate breakdown, closing of cracks and incipient ponding], digging under forwetting depth, returning after 24 hours to determine if change in strength.

In summary the physical tests, mostly selected for their rapidity, simplicity and low cost, haveproven to be satisfactory to Level 2 accuracy requirements when validated against published labdata; they allow for a semi-quantitative ranking of LU’s. In addition, they have proven to bepracticable under tough field conditions and manageable for field assistants. In terms oflimitations, fertility, salinity/sodicity, and Permanent Wilting Point in particular are importantand cannot quickly and/or cheaply and/or accurately be determined outside the lab; a cost benefitanalysis should be used to ascertain at Level 3 whether lab work is justified.

Mapping WH potential from remote sensing

From the sky down: techniques relevant for assessing MACRO WH suitability

Assuming that it has been possible to set some class limits for LCs, and therefore that LUs havebeen defined in some semi-quantitative manner and matched to WH LURs for potential runoffand runon areas, the question is now how to extrapolate the results from the few sampled idealtypes assumed to be representative of the study area as a whole. This constitutes the last box inFigure 2. There have been many attempts to take advantage of RS to predict runoff fromungauged catchments. The most common approach in semi-arid regions has probably been to use


RS to map land use/cover to help determine the SCS Curve Number (Sharma, 1992;Zevenbergen et al., 1988). These report very good results and without taking the PACphenomenon into account.

Nonetheless, Tauer and Humborg (1992) caution that the CN system is not relevant for theSahel because it is callibrated for extreme events in the USA and generates virtually no runoffbelow 40 mm rainfall, which is larger than most rain events in the Sahel. In any case, the size ofcatchments amenable to this approach are larger than the catchment area commonly used in WH.The fundamental irony in attempting to use RS to map WH potential is that the scale ‘visible’ tosatellite sensors is suited to assessing Macro WH, but the most widely used and socially realisticsystem is Micro WH because it is based on individual ownership, which involves catchment areasinvisible to RS.

From the ground up: techniques relevant for assessing MICRO WH suitability

The other approach taken specifically in the Sahel to WH starts from the ground and aggregatesupwards to the ‘point of visibility’ on RS imagery and is of greater relevance to WH because itdeals with surfaces as small as 100 m2, still within the Micro WH category. This approach insemi-arid Africa has been the work of French scientists and driven by the opportunity to takeadvantage of an existing resource, the Catalogue, by linking it to RS. As the Catalogue is basedon ‘elemental surfaces’ of 1 m2 the problem has been how to aggregate up to about the 1 haminimum discernible area or ‘effective pixel’ on SPOT or TM [once various georeferencingerrors add up]. There are a number of possible ways of doing this.

Casenave and Valentin (1989) established a relationship between a classic classification of‘visible features’ of the landscape by RS in terms of geomorphic features such as ‘rocky slopes’visible on the imagery and their constituent surfaces. The surfaces typically linked to each RSclass are grouped in a manner analogous to soil associations and consist of, for example, 75%surface type A and 25% surface type B. The relationship allowed prediction of runoff on anunmapped catchment by calculating from the Catalogue the net runoff as a function of theproportion of the catchment occupied by each association and the presumed proportion of surfacetypes within each association as previously determined from training areas. PAC was notconsidered but gave a regression coefficient of 0.80 with respect to measured runoff. The otherapproach would be to try to pick up the reflectance characteristics of the elemental associationsdirectly where they occur in large enough patches to serve as training areas. This was attemptedby Puech and Laily (1990) but only four of twelve associations could be distinguished. Inresponse, an effort was made to correlate the associations to vegetation and soil types, as theseare visible to RS (Puech, 1994) and this has proved to be feasible. Their current research involvesthe development of quick transect based surveys based on the Catalogue, designed to furnish alarge enough sample to accurately interpret imagery on an operational basis (Lamachère andPuech, 1995).

Yet another possibility is to start on the ground not just with Rsim but also with radiometricreflectance; ie to relate the two in situ, and then relate this correspondance to satellite imagery. Ahand held spectoradiometer is being used in the pilot area to determine whether a relationship canbe established between propensity to generate runoff and spectral signature either directly or viaproxy measure(s).


GENERAL CONCLUSIONS AND CURRENT STATUS OF PILOT STUDY

The results of the study so far indicate that there is substantial potential for the assessment ofWH suitability for semi-arid areas. Any assessment methodology must be demand driven in termsof social and environmental suitability. An appropriate logic by which to match supply anddemand is the FAO Framework for Land Evaluation. The ‘matching’ logic is similar to that bywhich local people classify soil; with respect to a specific use, and in terms of requirements andlimitations for a given use. The Framework can be operationalized within an expert system,which allows input of data from local resource experts and output--by interfacing with a GIS--inmap form, a commonly understood representation and basis for land use planning with localpeople. Furthermore, GIS can be used to create scenarios with different local ‘interest groups’,stratified into ‘Social Response Units’ using PRA tools. These concepts and techniques arecurrently being explored in the study area, comparing in particular groups statified on the basis ofdegree of pastoral orientation, on the hypothesis that the concept of investment in land/a fixedlocation is a critical factor for predicting WH suitability. This hypothesis is derived from a studyof the experiences of three major WH projects in the area.

On the environmental side, assessment of WH suitability involves different techniques forrunoff and runon areas but the same approach in that ‘Suitability Filters’ corresponding toprogressively more precise, quantified but costly techniques are applied to the most promisingLand Units [as they are defined, on an iterative basis]. The appropriate level at which to beginand end an investigation is determined on the basis of specified objectives and correspondingscale, data availability and resources [Figure 1]. A clear but flexible statement of purpose fromthe beginning of data collection therefore is important. For assessing runon suitability simple testshave proven to be very promising and cost effective, and can be related to local soil knowledgebecause they are primarily visual. Assessing suitability for runoff necessitates more quantitativedata and involves larger unit areas, and thus amenable to rainfall simulation and remote sensing.Rainfall simulation has proven to be a useful and cost effective tool in this research.

Image interpretation provides a natural link to indigenous knowledge because both arefundamentally visual phenomena and complementary to IK because the former is time static butthe latter time dynamic. Furthermore, remote sensing can potentially be used to extrapolate thespatial validity of indigenous knowledge beyond the territorial boundaries of the group which hasacquired this knowledge through many years of trial and error. This possibility is currently beingexplored.

Ultimately the degree to which suitability for WH can be assessed depends on the degree towhich a critical analysis of past experience of WH signals the key social and physical factorswhich define whether and which type of WH system is feasible and beneficial and for whom andunder what circumstances. Technology is not socially neutral and thus Micro and Macro WHhave different social requirements and implications and both must be viewed in a dynamic contextof trends in the larger economic environment. The degree to which suitability can be assessed alsodepends on amenability to the tools by which they are assessed; for example, Micro WH may notbe amenable to remote sensing. Thus a range of potential tools is being examined by this researchin order to assess suitability for suitablility assessment.

On the basis of an extensive general literature review of factors explaining WH adoption andthe experiences of projects in the study area, in addition to social and environmental data setsbeing collected for this pilot study and by a variety of methods, the current research is attemptingto operationalize the prediction of social and environmental suitability for WH and in a manner


which incorporates local views and knowledge and in a rapid and cost effective way. Initialindications are promising, however the data analysis has not yet reached the stage whereby a finaljudgement of the usability of the methodology can be made.

ACKNOWLEDGEMENTS

This research is made possible in part by: The Harold Wingate Foundation; The Royal Society; TheBritish Geomorphological Research Group of the Royal Geographical Society + IBG; The Committee ofVice-Chancellors and Principals of the Universities of the UK; The Univ of London Central ResearchFund; The Graduate School, UCL; SOAS; Geography Depts, UCL and SOAS. [And in kind:] GRID-UNEP, Nairobi; DRSRS, Nairobi; The Regional RS Centre, Nairobi.

Thanks are due for valuable discussions of parts of the material constituting this paper to: Mr. WCritchley, UK; Prof A Dietz, Prof A Imeson, Prof P Jungerius, Univ of Amsterdam; Ir W Hoogmoed,Prof L Stroosnijder, Dr M Mulders, Dr G Epema, Dr H Lovenstein, Prof R Feddes, Wageningen; Prof DPrinz, Karlsruhe Univ; Dr C Puech, Dr JM Lamachere, Prof E Roose, Montpellier; Prof M Girard, INA-Paris; Prof J Ben-Asher, Dr P Berliner, Dr A Karnieli, Desert Research Institute, Israel; Prof A Yair,Hebrew Univ; Dr K Siegert, Dr R Brinkman, FAO, Rome; Dr R Escadafal, ISPRA, Italy; Dr M McCall,ITC, Holland.

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De la télédétection à la gestion d’uncadastre irrigation dans la vallée du fleuve

Sénégal

RÉSUMÉ

Il est nécessaire que la société chargée de la gestion des eaux du delta du fleuve Sénégalcomplète son inventaire des parcelles irriguées et obtienne des informations plus détailléessur la localisation et l’étendue des surfaces réellement en production.

Un projet de coopération visant la spatialisation et la réactualisation en continu du systèmed’information déjà en place a été mis en oeuvre.

L’absence de cartes et les difficultés de survol ont conduit à l’utilisation de latélédétection. C’est la combinaison SPOT XS et panchromatique adoptée régulièrementchaque année qui a donné les meilleurs résultats dans la constitution du casier irrigation etdans l’inventaire des superficies en riz irrigué.

ABSTRACT

The firm responsible for the management of the waters of the Senegal river delta shouldcomplete its inventories of irrigated rice plots and obtain more detailed information on thelocation and extention of areas presently under production.

A cooperation project was carried out to extend and update the existing informationsystem on a continuous basis.

Lack of maps and flight problems have made it necessary to resort to remote sensing. Inestablishing the system and inventory of the irrigated rice areas, the combination of SPOTXS and Panchromatic used regularly each year gave the best results.

CONTEXTE

Ces dernières années le delta du fleuve Sénégal a fait l’objet de profondes mutations au plan del’agriculture. Le marché libre de la terre et les possibilités de crédit bancaire ont, en effet,provoqué une colonisation quelquefois mal maîtrisée.

A. Killmayer Responsable du département international de GEOSYS, Toulouse, France

Session 2 :De la télédétection à la gestion d’un cadastre irrigation: Sénégal196

La SAED, société d’aménagement du delta du Sénégal, a la responsabilité du pilotage du plandirecteur de la vallée. Ses fonctions sont au nombre de cinq :

• coordination du développement rural intégré• gestion de l’eau• appui-conseil aux organisations paysannes• maîtrise d’oeuvre des aménagements• suivi et évaluation.

Une telle mission pluridisciplinaire s’inscrit dans un contexte de croissance où la fonctionsuivi-évaluation revêt une importance primordiale, puisqu’elle permet la connaissance de lasituation existante.

FIGURE 1Localisation du site


LES BESOINS ET CONTRAINTES

La SAED possédait une liste des organisations paysannes relative à des surfaces théoriques demise en valeur ou unités de mise en valeur (UMV) qui sont le fondement du casier irrigation(planche 3). Cependant ce fichier alphanumérique présentait un certain nombre d’incertitudesdans un contexte en pleine évolution.

Pour permettre à la SAED de remplir pleinement sa mission, tant sur le plan techniquequ’économique, il fallait pouvoir répondre aux questions suivantes : la base de données est-ellecomplète et actualisée ? Où sont localisées les unités de mise en valeur? Yen a-t-il d’autres? Sont-elles bien irriguées et cultivées?

L’obtention de ces informations s’est heurtée à des contraintes telles que l’absence d’unecartographie suffisamment détaillée et actualisée, l’étendue du territoire et les faibles moyenshumains et d’équipement de la SAED.

Il était donc nécessaire de trouver une solution adaptée aux besoins et aux contraintes.

Le projet couvre la zone prioritaire du haut delta du fleuve qui constitue la frontière avec laMauritanie. La zone d'étude s'étend au Sud du fleuve sur toute la délégation de Dagana, à savoir30 000 ha de cultures irriguées, répartis en 500 unités de mise en valeur dans un périmètre de 100x 100 km (figure 1).

LES FONDEMENTS DU PROJET

Le Fonds d’aide et de coopération français (FAC) a confié à un consortium composé du BDPA(Bureau pour le développement de la production agricole) et du CIRAD (Centre de coopérationinternationale et de recherche agronomique pour le développement) une tâche de support,d’assistance technique et de transfert de savoir-faire dans les domaines de l’appui-conseil et dusuivi et évaluation.

L’opération qui a débuté en 1993 devait durer trois ans.

Le BDPA s’est chargé de la coordination et de l'assistance en matière de développementagricole et rural.

Le CIRAD était responsable du développement, de l’installation du système d’information etde la formation connexe.

La filiale du BDPA, GEOSYS-SYSAME , spécialisée dans les SIG et la télédétection, s’estvue confier les tâches spécifiques de spatialisation de l’information sur l’occupation du foncier,d’établissement des inventaires des cultures de riz irrigué, et de constitution de bases de donnéesgéographiques numériques.

Ces actions, ponctuelles et réduites au regard de l’opération d’ensemble réalisée par leconsortium, font partie de la phase initiale de mise au point d’un observatoire de l’état del’utilisation des sols, de l’irrigation, et de l’organisation des parcelles irriguées (planche 2).


La solution la plus adaptée aux besoins et aux contraintes devait répondre aux conditionssuivantes :

• approche globale et homogène sur l’ensemble du territoire d’influence de la SAED,• rapidité de mise en oeuvre,• faible coût,• méthode simple et adaptée aux contraintes spécifiques du pays, permettant une répétitivité

aisée pour un suivi régulier de la saison culturale d’hivernage dans un premier temps et de lacontre-saison dans un deuxième temps.

LA MÉTHODE UTILISÉE

La méthodologie mise en place est du type "à affinage successif " permettant dès la premièresaison culturale de posséder des outils de travail, susceptibles d’être actualisés et enrichis d’annéeen année.

Il a donc été décidé d’établir dès le départ un plan de masse cartographique permettant delocaliser les unités de mise en valeur, grâce à un lever GPS de précision et une couvertured’images SPOT en pleine saison culturale d’hivernage (planche 1). Trois images XS contiguësont été utilisées dans un premier temps, très rapidement remplacées par trois images panchro +XS qui se sont avérées nécessaires à une identification fine des réseaux et des limites deparcelles.

Une fois corrigées géométriquement et mises en projection UTM, les images ont été traitées àGEOSYS pour en améliorer le contraste local et la netteté. La fusion P et XS a été réalisée parprocédé IST (intensité saturation teinte) afin de bénéficier pleinement de la résolution de 10 m etde conserver toute la richesse radiométrique. Au cours de cette fusion l'histogramme de la teinte aété légèrement réétalé afin d'améliorer la lisibilité des documents finaux. Quatre cartes-images (ouspatiocartes) ont été éditées au 1/50 000 par procédé vizir et tirage photographique.

Ces spatiocartes ont permi aux agents de la SAED de faire la relation sur le terrain entre lesdéclarants irrigants et les unités de mise en valeur concernées, et d’établir ainsi une minutecartographique. Cette minute une fois scannée et renseignée a constitué le premier “ Atlasnumérique du périmètre irrigué ” du delta, géré par un système d’information géographique. Uneétude plus approfondie des comportements de la radiométrie à l’intérieur des parcelles“ officielles ” a permis de dresser une cartographie fine et d’éditer une statistique sur l’étatd’emblavement réel. Un procédé de classification par parcelle a été utilisé pour cette étape. Lescartes ont été éditées sur plotter à la même échelle et selon le même découpage que lesspatiocartes afin de les rendre parfaitement superposables. Ces cartes qui montrent clairementpour chaque unité de mise en valeur les parties réellement cultivées permettent de renseigner surles problèmes éventuels et, partant, sur l’efficience de la gestion de l’eau.

Une fois reliée à la base de données alphanumérique de la SAED, cet état des lieuxcartographique numérique a constitué un véritable casier (ou cadastre) d’irrigation du delta dufleuve Sénégal.


Les années suivantes ont permis, grâce à de nouvelles observations SPOT en périodehivernale et à la mise en place d’un SIG à la SAED par le CIRAD, d’affiner la base, de la tenir àjour et de l’enrichir sur une base annuelle.

Une formation spécifique a de plus été dispensée, sur le projet lui-même, aux responsables dela gestion du périmètre de la SAED. Elle a été organisée en deux temps:

• une formation en France pour le responsable du système avec un volet GIS sous laresponsabilité du CIRAD, un volet télédétection à GEOSYS et un volet direction de projet auBDPA,

• une formation directe à la SAED pour tous les agents et conseillers de terrain, grâce à desmissions d'experts du CIRAD et du BDPA.

RÉSULTATS

Spatiocartes de navigation

Les spatiocartes ont été éditées au 1/50 000 sur papier photographique. Le découpage tientcompte de la nomenclature SAED, avec trois secteurs (haut delta, moyen delta et bas delta).

Atlas numérique des aménagements hydro-agricoles et des unités de mise en valeurpaysannes

Les cartes constituant l'atlas ont été éditées sur papier, par procédé électrostatique au 1/50 000 etselon un surdécoupage en sous-secteurs. Quatorze feuillets ont ainsi été nécessaires pour couvrirl’ensemble de la zone. Les thèmes principaux concernent :

• les infrastructures routières et hydrauliques• les centres d'habitation avec toponymes

FIGURE 2La méthodologie


• les marais• les unités de mise en valeur avec leur référencement• les stations de pompage.

Cartes des surfaces réellement cultivées dans chaque UMV

Les cartes de surfaces rizicultivées ont été éditées sur papier, par procédé electrostatique au1/50 000 et selon un surdécoupage en sous-secteurs. Elles font apparaître en vert, sur un fondcartographique en noir et blanc, les surfaces cultivées en riz à l'intérieur de chaque UMV.

Base de données numérique géographique

La base de données (atlas) ainsi que les réactualisations et informations annuelles sur les surfacesen culture sont fournies sur CD-ROM au format Map Info. Les images SPOT améliorées, ayantservi à l'édition de spatiocartes, ont aussi été fournies sur CD-ROM pour permettre unevisualisation en fond de plan sur le SIG mis en place.

Système en place

Un système de consultation SIG a été installé par le CIRAD à la SEAD. Il s'agit d'une plate-forme PC avec le logiciel Map Info connecté à la base alphanumérique des déclarants de laSAED.

Le personnel responsable a été formé, tant à l'interprétation de l'image qu'à la manipulationdes bases géographiques et au traitement des données.

DISCUSSION

Sur la méthode et le transfert

Face à l’urgence d’assurer une bonne gestion de l’eau et des infrastructures d’irrigation, lesystème mis en place est excessivement élémentaire, car il ne tient compte que des besoins lesplus pressants.

En ce qui concerne les opérations, la longévité et l’économie, la majeure partie du travailincombe aux agents de la SAED. Il ne s’agit donc pas d’un transfert de technologie, mais d’unétablissement en commun de la solution la plus adaptée et la plus performante.

Une simple interprétation d’images SPOT sur le terrain et une classification superviséesuffisent en effet à apporter une solution économique et efficace. Deux éléments techniques ontcependant fait objet d’une attention spéciale, car ils sont le fondement même des inventairescartographiques à caractère cadastral ou casier à savoir la géométrie et la constitution de couchesd’informations indépendantes mais unies par des liens logiques. Un calendrier des opérations estdonné à la figure 3.

Sur les difficultés

Au niveau des images

Les images SPOT ont été programmées pour chaque saison d'étude (octobre 1992, 1993, 1994)afin de se trouver dans la période favorable à l'identification du riz. Une simple programmationbleue a été nécessaire vu la disponibilité relative du satellite SPOT dans cette région et le faiblecouvert nuageux de la zone. La prestation SPOT a été réalisée chaque année avec plein succès, etla rapidité de réception des images après acquisition, qui n'a guère dépassé une semaine, a permisun traitement immédiat des données.


Les images SPOT ont été choisies au départ pour la possibilité de programmation et larapidité d'obtention, la station de réception des images TM de Mas Palomas étant très peu fiableà ce niveau. Néanmoins, ces avantages ont vite été supplantés par le capteur panchromatique quis'est révélé être indispensable par la quantité d'informations structurelles qu'il fournit. Uneréorientation quant aux données de base a donc été effectuée en cours de projet pour travaillersur des fonds images à 10 mètres de résolution. Si techniquement l'opération a été bénéfique pourl'utilisateur final, elle a néanmoins obligé GEOSYS à détruire la base en cours de réalisation surles images XS et à recommencer le travail, tant le nombre de modifications était important entermes de quantité et nomenclature. Les spécifications d'un projet se doivent donc d'êtreparfaitement établies avant le début des travaux, et suivies sans dérive afin d'éviter des dérapagesdans les délais et dans les coûts.

Au niveau du manque de cartographie

Le manque de référencement cartographique nous a obligés à faire une campagne de levée depoints de calage GPS sur des endroits remarquables avec une densité comparable à un chantierd'aérotriangulation. Les quelque 30 points par image ont ainsi permis de recréer un canevas d'uneprécision de 10 mètres. Le coût d'une mise en projection d'une base géographique sur un territoire"vierge" est donc à prévoir avant le projet.

Au niveau de l'interface des organismes

Les opérations de terrain et contacts avec les utilisateurs étant effectués par des organismesdifférents de celui chargé de la réalisation cartographique, les délais dans les échanges et lesvalidations ont été trop longs pour ce type de projet. L'opérateur cartographique doit donc éviterles intermédiaires afin de prendre les bonnes décisions en concertation directe, et d’améliorer ainsiles réalisations

FIGURE 3Calendrier


Sur le coût

Au niveau du coût, le volet télédétection ne représente que 10% à peine de l’opération globale, cequi le rend très attrayant dans ce cas où il constitue une donnée de base essentielle (figure 4).

CONCLUSION

Dans le cas particulier de ce projet, où il a fallu mettre en œuvre une base de donnéesgéographiques sur un territoire peu connu et très peu nuageux, la télédétection spatiale représenteune solution très performante, au regard de techniques aériennes ou de terrain coûteuses.

Cependant, la télédétection doit rester un outil qu'il faut traiter ou utiliser pour ce qu'il estcapable de donner par des méthodes simples et adaptées au contexte et aux contraintestechnologiques et économiques du pays auquel on s'adresse.

Pour être pertinentes les données qui en sont issues devront être intégrées à d’autres outils oud'autres bases de données.

C'est dans ce contexte et avec une telle approche que l'opération, malgré les difficultés citéesplus haut, a connu un plein succès. Ce succès ne se mesure pas à la valeur du rapport final maisva au-delà, dans l'attitude du bénéficiaire laissé à lui-même, une fois les experts partis et lesfinancements d'accompagnement taris. A la SAED les avantages du système en place, de la

FIGURE 4Comparaison relative des postes budgétaires


formation dispensée et des méthodes appliquées semblent porter leur fruits puisque, depuis 1994,elle commande chaque année une programmation SPOT et des traitements de base pour alimenterson SIG irrigation.


PLANCHE 1Mosaïque SPOT couvrant le site chaque année


PLANCHE 2Document initial de travail de la SAED, présent dans la phase de démarrage du projet


PLANCHE 3Edition papier de la cartographie numérique finale du casier irrigation portant les labels desassociations paysannes et des unités de mise en valeur


Positionnement, productivité et gestion desforages en milieu fissuré de Côte d’Ivoire

par télédétection et systèmed’information géographique

RÉSUMÉ

Les traitements numériques des images satellitaires du bassin de la haute Marahoué ontporté sur les techniques de rehaussement, les composantes principales, le rapport desbandes TM7-TM4/TM7+TM4 et la combinaison TM6+TM7. Les données obtenues ont étéintégrées et interprétées à l’intérieur d’un système d’information hydrogéologique àréférence spatiale (SIHRS), ce qui a permis d’identifier le complexe volcano-sédimentairedu sillon intracratonique de Boundiali et la masse du granite circonscrit de Séguéla, dontla forme n’a pu être décrite jusqu'à ce jour par les méthodes classiques. Les limitesinférieures des fractures ouvertes et le profil d’altération du socle cristallin, capté par denombreux forages dans la région, ont été précisés par la confection d’un bloc diagrammedans le SIHRS. Une carte des fracturations, couvrant une superficie de 12 500 km2, illustreassez bien les mégafractures d’importance régionale dans le socle. Elles sont orientéesN170-190, N30-60, N80-100 et N120-160 et caractérisent la tectonique cassante enAfrique de l’Ouest. Une étude sectorielle des relations entre les accidents et le réseauhydrographique a révélé que les principaux cours d’eau circulent essentiellement dans lesaxes tectoniques.

Les écoulements et les possibilités de formation des réservoirs d’eau dans les milieuxfissurés peuvent être appréhendés grâce à l’étude des perméabilités induites par lesfractures. Cependant, jusqu'à maintenant, les résultats obtenus par cette technique sontrestés tributaires de la densité des fractures susceptibles d’être visualisées sur lesphotographies aériennes classiques. Les images Landsat TM du bassin versant de la hauteMarahoué, traitées numériquement et interprétées à l’intérieur du SIHRS, ontconsidérablement amélioré cette approche grâce à une assez forte densité de fractures (62fractures en moyenne pour 1,44 km2 de superficie) repérables sur les images satellitairesrehaussées. En effet, les valeurs des perméabilités induites, obtenues par ce procédé,varient de 0,11 à 0,66 10-4 m/s , contre des valeurs de 10-8 m/s fournies par les méthodesclassiques. Par conséquent, elles sont voisines des perméabilités réelles des terrainsfissurés intéressés par l’altération.

J.Biémi et J.P. Jourda CURAT, Centre universitaire de recherche et d’application en télédétection

Université de Cocody, Abidjan, Côte d’IvoireS. Deslandes et H. Gwyn

CARTEL, Université de Sherbrooke, Québec, Canada

Session 2 : Positionnement, productivité et gestion des forages: Côte d’Ivoire208

Les relations possibles entre les quatre principales directions d’accidents relevées sur lesimages (NS, NE-SO, E-O et NO-SE) et l’emplacement de 103 forages en exploitationd’une part et la détermination des profils de productivité associés aux directionspréférentielles des linéaments de l’autre, montrent que, dans le bassin, 68 % des foragessont implantés à l’intérieur d’un rayon de 200 mètres des linéaments, avec 27 % desforages creusés directement sur le linéament. Tous les forages en exploitation dans lebassin présentent une position plus ou moins idéale par rapport à au moins une directionmajeure de linéament, la distance d’éloignement étant de 1,1 km pour les quatredirections. Les accidents NO-SE sont les plus productifs, avec 63 % des débits élevés,compris entre 6 et 14 m3/h, contre 25 % pour ceux orientés N-S. Ces deux directions ontguidé l’implantation de 62 % des forages de la région.

ABSTRACT

Digital processing of satellite images of the catchment of the Haute Marahoué was mainlybased on resolution enhancement techniques, principal components, the ratio TM7-TM4/TM7+TM4 and the combination TM6+TM7. Data obtained were integrated andinterpreted within a Spatially Referenced Hydrologic Information System (SRHIS), whichmade it possible to identify the volcano-sedimentary complex of Boundiali and thelocalised granite mass of Seguela, whose shape had not yet been accurately described withtraditional methods. The lower limits of open fractures and the alteration profile of thecrystalline basement, which feed several wells in the region, were better defined with thecreation of a block diagramme in the SRHIS. A map of fractures, covering an area of 12500 km2, illustrates very well the megafractures of regional importance in the fault plain.They are oriented N170-190, N30-60, N80-100 and N120-160 and characterise fracturingtectonics in West Africa. A sector study on the relationship between the accidents and thehydrographic network revealed that the main rivers essentially flow along the tectonicaxes.

Runoff and the possibilities of creating water reservoirs in fractured environments can beevaluated through the study of permeability caused by fractures. Therefore, until today, theresults obtained by using this technique remained a function of the density of fractures thatcould be visualised on traditional aerial photographs. Landsat TM images of the HauteMarahoué watershed, digitally processed and interpreted within a SRHIS, haveconsiderably improved this approach thanks to the high density of fractures (an average of62 fractures per 1.44 km2) visible on the enhanced satellite images. In fact, the values ofinduced permeability, obtained with this procedure vary from 0.11 to 0.66 10-4 m/s,against values of 10-8 provided by traditional methods. As a consequence, they are close tothe actual permeability of the fractured soil interested by the alteration.

The possible relationships between the four main directions of events revealed on theimages (NS, NE-SW, E-W and NW-SE) and the positioning of 103 drilling sites on onehand, and the determination of productivity profiles associated with the preferentialdirections of linear features on the other, show that in the catchment, 68% of the sites arelocated within 200 meters of the fractures, with 27% of the sites placed directly above thefracture. All the drilling sites in the catchment have a more or less ideal position inrelation to at least one major fracture, the distance being of 1.1 km for the four directions.The NW-SE fractures are the most productive, with 63% of the yields being between 6 and14 m3/h, against 25% for those oriented N-S. These two directions account for thepositioning of 62% of the wells in the region.


INTRODUCTION

En 1972-73, la Côte d’Ivoire a connu à une sécheresse assez prononcée, dont les conséquencesdésastreuses n’ont épargné aucun pays d’Afrique de l’Ouest. Cette sécheresse a été marqué parun tarissement généralisé de la majorité des points d’eau de surface et par une baisse souventimportante du niveau piézométrique des nappes phréatiques, mettant à sec tous les puits creusésdans les profils d’altération au toit du socle cristallin. Devant cette menace cyclique à la vie despopulations, nombre des Etats du continent se sont dotés, à partir de 1973, de moyens puissantspour l’exécution de forages d’eau sur leurs territoires respectifs. En Côte d’Ivoire, à la fin de1983, plus de 13 000 ouvrages de captage d’eau étaient creusés. Malheureusement, ces foragesd’eau ont été réalisés avec une grande précipitation afin de satisfaire les besoins en eau immédiatset urgents de la population, mais cette urgence a justifié de nombreuses insuffisances :tâtonnements fréquents, pertes énormes de temps, d’argent et de matériel. C’est pourquoi, en1985, le gouvernement de la Côte d’Ivoire a incité les chercheurs à approfondir les connaissancesscientifiques sur les potentialités en eau des aquifères de fissure du socle précambrien, qui couvreà lui seul 97 % de la superficie du territoire national.

Le bassin versant de la Marahoué a été choisi comme secteur témoin pour cette étude test. Ilprésente en effet toutes les caractéristiques des régions subsahéliennes les plus touchées par lemanque d’eau en Côte d’Ivoire. En 1984-1987, les observations de terrain ont révélé que, sur 212forages mis en exploitation dans le bassin de la haute Marahoué, 22,6 % étaient régulièrement enpanne mécanique, 8,4 % étaient abandonnés pour le mauvais goût de leur eau ou pour leursituation dans un bois sacré voué aux cultes rituels et 18,4 % étaient à sec. Au total, environ 50% des ouvrages réalisés n’étaient pas fonctionnels et laissaient non satisfaits une partie desbesoins en eau de la population.

Le secteur d’étude concerne le Sud du quart Nord-Ouest de la Côte d’Ivoire (figure 1), dont iloccupe la partie médiane, à l’intérieur d’un rectangle long de 240 km et large de 50 km (soitenviron 12 500 km2 de superficie). Le bassin est limité par les latitudes 7° 40’ et 9° 30’ N et parles longitudes 6° et 7° O.

MÉTHODOLOGIE

Trois scènes Landsat Thematic Mapper se recoupent sur le bassin versant de la haute Marahoué :les quadrants 2 et 4 de la scène 198-54, le quadrant 1 de la scène 197-55 et le quadrant 3 de lascène 197-54. Ces images ont été acquises en l’absence de nuages, au cœur de la saison sèche, les7 et 16 janvier 1986. La création de la mosaïque a nécessité un calibrage radiométrique parajustement de la moyenne et de l’écart-type entre les secteurs en recouvrement. La correctiongéométrique comporte un rééchantillonnage de la taille des pixels à 50 x 50 m, compte tenu de lagrande superficie du bassin. Les bandes 3 (rouge), 4 (proche infrarouge), 5 (infrarouge moyen), 6(infrarouge thermique) et 7 (infrarouge lointain) ont été retenues. La base de données comprendégalement les images du champ magnétique total, résultant d’une mission aéroportée effectuée aucours des années 1974 et 1975 par la Kenting Earth Sciences Ltd. Ces données, interpolées etgéocodées, ont été acquises par la Commission géologique du Canada. La taille des pixels est de125 x 125 m. A ces images s’ajoutent les cartes topographiques au 1/200 000 et les informationsgéologiques préexistantes ou recueillies sur les affleurements (Millary 1964, DCH 1982,SODEMI 1971-72).


Les traitements ont porté sur la recherche d’une meilleure combinaison d’images rehausséessusceptibles de favoriser la discrimination des ensembles lithologiques et la perception deslinéaments sur les compositions colorées. Les opérations de rehaussement comprennent : lescomposantes principales, le rapport TM7-TM4/TM7+TM4, la combinaison TM6+TM7 et lesfiltres directionnels de Sobel utilisant une matrice de 7 x 7.

Les images satellitaires rehaussées et celle du champ magnétique total, couplées avec lesdonnées géologiques, ont été intégrées numériquement au système d’information hydro-géologiqueà référence spatiale (SIHRS) qui a permis de produire la carte des linéaments du bassin parsuperposition et interprétation des images. Les différentes données intégrées dans le SIHRS sont :

FIGURE 1La Côte d’Ivoire et le bassin versant de la Marahoué


les courbes altimétriques ayant servi à la confection du bloc diagramme, les nombreuses donnéestirées des images satellitaires (géologie, linéaments, etc.), les données géocodées du champmagnétique total acquises en 1974 et 1975 par la Kenting Earth Sciences Ltd, les cartesd’interprétation géologique de la société Paterson, Grant et Watson (1977) à l’échelle de 1/200000, les principaux cours d’eau, le réseau routier et la localisation des villes et villages extraitedes cartes topographiques au 1/200 000. La carte des linéaments a permis d’entreprendre l’étudedes perméabilités induites par les fractures et l’identification des principaux couloirs souterrainsde circulation des eaux.

La détermination des perméabilités induites.

Pour les perméabilités induites par les fractures, la méthode de Franciss n’est applicable qu’auxrégions où le socle est affecté par des fractures voisines de la verticale. C’est le cas dans le bassinde la haute Marahoué où les structures cassantes présentent, pour 80 % d’entre elles, despendages supérieurs à 80 degrés. Le calcul des perméabilités induites par les fractures anécessité, au laboratoire, un maillage du bassin de la haute Marahoué sur une superficie de 12500 km2 en 103 cercles de 12 km de diamètre. A l’intérieur de chaque cercle, il a été calculé : lenombre total de fractures, les longueurs individuelles et totale des fractures et leurs orientationscas par cas.

Les mesures effectuées à l’affleurement ont permis d’estimer deux variables indispensablesau calcul des perméabilités induites : la conductivité hydraulique (Kf) de la région et le coefficientempirique de proportionnalité entre l’ouverture et la longueur des fractures (C). La conductivitéhydraulique est assimilable à la perméabilité moyenne apparente caractérisant toute la surfaceétudiée. A partir de l’expression de la transmissivité dans une zone fracturée traversée par unforage :

Ti = Ki . ei

où : Ti est la transmissivité de la zone en m2/sKi est la conductivité de la zone en m/sei est l’épaisseur de la zone en m

on obtient la conductivité hydraulique moyenne de la région (Kf) par la relation :

Kf = Σ (Ti / ei ) / Σ i

Dans les forages à entrées d’eau multiples, l’épaisseur de la zone fracturée peut être estimée àpartir de la différence de profondeur entre la première et la dernière arrivée d’eau. Les valeurs dela transmissivité ont été calculées à partir des essais de pompage réalisés sur 80 forages par lesméthodes d’approximation de Jacob, Cooper-Jacob, Gringarten et Thiery. Dans le cas de lavariable (C), le problème de la mégafracture visible sur l’image satellitaire peut être envisagée àdeux dimensions parce que l’épaisseur de la croûte terrestre fracturée est très négligeable parrapport à son étendue. En général, cette épaisseur ne dépasse guère 100 m pour 10 km2 desurface, autrement dit elle varie dans un rapport inférieur à 10-5. En conséquence, l’épaisseur dela zone broyée peut être considérée comme une fonction linéaire empirique de la longueurapparente de la mégafracture, de telle sorte que :

e = C . L

où : e est l’épaisseur de la zone broyée en m,C est le coefficient de proportionnalité empirique,L est la longueur apparente (en m) de la mégafracture, mesurée sur les photographies

aériennes.


FIGURE 2Esquise géologique du bassin versant de la haute Marahoué : carte des principales unitéspérographiques établie à l’aide des images de LANDSAT TM rehaussées et des donnéesgéocodées du champ magnétique total interprétées à l’intérieur du SIHRS


La variable (C) a été déterminée empiriquement en mesurant les longueurs et les ouverturessur environ 2 000 fractures affectant le socle et en faisant le rapport entre ces deux paramètres.Ainsi, après une détermination des valeurs de la conductivité hydraulique du bassin (Kf = 3,5. 10-

5 m/s) et du coefficient de proportionnalité empirique entre l’ouverture et la longueur des fractures(C = 0,0038), la carte des réseaux de linéaments, initialement réalisée dans l’environnementEASI/PACE de PCI, a pu être mieux exploitée. Les valeurs des perméabilités induites ont étécalculées à partir de la méthode de Franciss (1970) :

K (max,mini) = ½ tg-1 (2 KNW / KWN - KNN )

K (max/mini) = ½ (KWW + KNN) ± ½ { (KWW -KNN)2 + 4 K2NW }

1/2

où : KNN = C L cos λKWW = C L cos λKNW = - C L sin λ cos λ

RÉSULTATS OBTENUS ET DISCUSSIONS

Cadre géologique

L’esquisse géologique du bassin met en évidence l’importance des granito-migmatites d’extensionrégionale qui occupent 88 % de la superficie du secteur d’étude. Le complexe volcano-sédimentaire couvre 10 % de cette même superficie et s’associe au sillon intra-cratoniquebirimien de Boundiali. Ce sillon présente un rétrécissement dans sa partie inférieure, puis uneinterruption, avant de disparaître totalement peu au Nord-Ouest de la ville de Séguéla (figure 2).Sur le plan géologique, la télédétection et le système d’information hydrogéologique à référencespatiale ont contribué à l’identification :

• du contour exact du granite de Séguéla, qui apparaît comme un granite circonscrit en formed’embryon tourné vers le Nord-Est, jamais soupçonné auparavant par la géologie classique ;

• de la forme effilée du sillon birimien de Boundiali, au Sud-Ouest de la carte entre les graniteset les granito-migmatites, et de sa disparition à la hauteur de Séguéla, qui serait due àl’intrusion brutale du granite de Séguéla dans les dépôts du sillon birimien.

Limite inférieure des fractures ouvertes dans le socle

Un bloc diagramme du bassin versant de la haute Marahoué, confectionné grâce aux multiplesfonctions du SIHRS, permet de suivre l’évolution apparente des arrivées d’eau et des débitsoptimums, ainsi que la progression en profondeur du front d’altération dont l’épaisseur, assezfaible au Nord du bassin (de 10 à 20 m), gagne en importance dans le secteur Sud où elleavoisine 70 mètres (figure 3).

En Afrique, les spécialistes des sciences de l’eau admettent généralement que les arrivéesd’eau décroissent en nombre et en importance avec la profondeur du socle sain traversé. Certainsauteurs fixent entre 50 et 60 mètres la limite inférieure d’existence des fissures ouvertes. Dans lebassin de la haute Marahoué, des résultats similaires, observables sur le bloc diagramme, laissentplaner un doute. Car, ici, la majorité des forages ne dépasse pas 50 m de profondeur, si bien quela régression du nombre des arrivées d’eau que l’on constate au-delà de 100 m est peut-être aussila conséquence du nombre insuffisant de forages atteignant une profondeur comprise entre 90 et100 m dans la région.


FIGURE 3Bloc-diagramme établi par intégration des courbes altimétriques du bassin de la haute Marahoué au SIHRS.


Réseau de linéaments

La carte du relevé détaillé des linéaments comporte près de 16 000 segments assimilables à desfractures. Les linéaments ont été identifiés sur les images TM décrites plus haut, en exploitant lespossibilités du SIHRS, qui permet d’afficher les compositions colorées et d’éditer les fichiersvectoriels. Une carte présentant les linéaments d’importance régionale, associés aux accidentsmajeurs dans le socle, a été préparée à l’aide de la combinaison TM6+TM7. Les mégafracturesd’importance régionale apparaissent comme de grandes failles ou des couloirs de cisaillementdans les quatre directions tectoniques principales d’Afrique (figure 4). La direction N170-190°correspond au grand couloir de cisaillement de Séguéla (N180°), Yérétyélé (N195°) etKaramokola (N170°). Dans la direction N80-100°, les accidents Est-Ouest sont plus discrets. Ilss’expriment par les failles Kondogo-Ouakro (N90°), Souasso-Forotoutou (N90°) et Kénégbé-Bayani (N80°). La direction N30-60° est celle la plus pourvue d’accidents majeurs. On ydistingue les couloirs de cisaillement de Morondo (N35°), Gbominasso (N50°), Kani (N40°) etBobi (N73°) ; et les failles de Djibrosso (N40°), Douala (N60°) et Nandala (N55°). Enfin ladirection N120-160° caractérise les couloirs de Dianra (N123°) et de Mankono (N120°) et lesaccidents de Gbokolo (N140°) et de Sarhala (N120°).

D’une façon générale, ces accidents s’intègrent parfaitement à la tectonique cassante de laCôte d’Ivoire. Les couloirs de cisaillement correspondent à des directions majeures dans le socleafricain, si bien que les traces de certains, comme le couloir de Séguéla, sont visibles sur plus de1 500 km, de l’océan au Sud jusqu’au Mali dans la région de Sikasso et même plus au Nordjusqu’au Burkina Faso. Des tremblements de terre périodiques, d’importance mineure (magnitudeinférieure à 3), liés à ces accidents sont souvent enregistrés en Côte d’Ivoire et en Afrique del’Ouest. Le séisme de Gaoual en Guinée, de magnitude beaucoup plus forte (6,4), survenu endécembre 1983, a été largement ressenti dans tout le golfe de Guinée. Son foyer sismique est situésur un faisceau d’accidents NO-SE qui se prolonge en Côte d’Ivoire par le couloir de cisaillementde Dianra-Niakaramadougou qui traverse l’extrémité Nord du bassin de la haute Marahoué.

Dans le secteur d’étude, tous les bras des cours d’eau (figure 4) coulent dans une fractureaffectant le granite, ce qui donne une assez bonne similitude entre le réseau hydrographique et leréseau de linéaments issu du traitement des images satellitaires. Ces résultats sont conformes auxobservations effectuées en d’autres lieux en Côte d’Ivoire et de manière plus générale en Afriquede l’Ouest. En effet, les principaux fleuves s’installent le plus souvent dans les grandes fracturesdu socle précambrien.

Perméabilités induites par les fractures et couloirs souterrains d’écoulement

Les variations des valeurs des perméabilités induites maximales sont présentées à la figure 5. Unaxe principal à fortes valeurs de perméabilité, d’orientation Nord-Sud, et quatre axes secondairesassociés sont identifiables sur cette figure. L’axe principal débute à la pointe Nord-Est du bassin,dans le cercle de Kanyéné (D15) qui présente la valeur de perméabilité la plus forte (K1 = 0,87m/s). Il passe ensuite par les cercles de Filamana (C14), Sétoumo (C11), F9, F8, G7, G6 et E5,Kouroufla (F4), Touhoulé (F3) et G3 à l’exutoire. La seconde valeur de forte perméabilité estenregistrée dans le cercle F3 à Tonhoulé (K1 = 0,82 m/s).


FIGURE 4Relations entre réseau hydrographique et réseaux d’accidents majeurs affectant le soclecristallin du bassin de la haute Marahoué


Les deuxième et troisième axes de fortes perméabilités induites s’observent à l’Ouest dubassin, entre Worofla et Souasso. L’axe 2 est orienté E-O. Il est limité par les cercles deBangana, Ghéma et Kassatou et recoupe le premier axe à Niéou. Il se caractérise par des valeursde K1 comprises entre 0,23 et 0,31 m/s. L’axe 3 est orienté NO-SE. Il part de Karaba-Souassopour rejoindre les deux premiers à Niéou. Les valeurs de K1 y sont comprises entre 0,23 et 0,30m/s. Le dernier axe de fortes perméabilités induites se limite aux cercles de Dianra sur la bordureorientale du bassin ; il est orienté E-O avec les valeurs de K1 de 0,27 et 0,32 m/s.

Entre ces différents axes, prennent place des îlots de perméabilités assez faibles :

• au Nord-Ouest, dans le secteur s’étendant de Djibrosso à Tra, passant par Siréba, où lesvaleurs de K1 varient de 0,126 à 0,195 m/s ;

• au Sud, dans les secteurs de Téguéla, Dyoroyé, Kouassikro et Touloukoro, où les valeurs deK1 sont comprises entre 0,168 et 0,195 m/s.

• à l’Est, sur toute la bordure orientale entre l’exutoire et Dianra, à Tyébé et à Kébi, où lesvaleurs de K1 sont comprises entre 0,156 et 0,179 m/s.

Il ressort de ces observations que la bordure orientale du bassin est moins dotée en fracturesouvertes que la bordure occidentale. L’étude des couloirs de circulation des eaux souterraines aété réalisée en superposant, dans un même plan, à l’intérieur du SIHRS, la carte des variationsspatiales des perméabilités induites et le réseau hydrographique. Ce travail fait ressortir uneparfaite concordance entre le tracé des cours d’eau en surface et celui des différents axes de fortesperméabilités. Les deux fortes valeurs de perméabilité : 0,87 et 0,82 m/s correspondent l’une à lasource de la Marahoué, l’autre au bassin d’accumulation des eaux de Tonhoulé, à proximité del’exutoire du bassin.

La Marahoué se superpose presque exactement à l’axe principal Nord-Sud des fortesperméabilités. Quant à son affluent, le Yarani, il coule essentiellement dans les axes de fortesperméabilités de la bordure occidentale du bassin. Au contraire, les domaines de faiblesperméabilités induites correspondent respectivement aux chaînes d’inselbergs du Nord-Ouest, duSud et de la bordure Nord-Est du bassin. Ainsi, entre Morondo et Dianra, la modificationobservable dans le tracé de la Marahoué, qui passe de la direction NS à la direction NO-SE,caractérise de façon nette la déviation subie par l’axe principal des fortes perméabilités induitesdans ce secteur, ce qui n’est qu’une conséquence de la manifestation du grand couloir decisaillement NO-SE de Dianra-Niakaramadougou. Les quatre axes de fortes perméabilitésinduites constituent donc des zones préférentielles d’alimentation en eaux souterraines du bassin.Par conséquent, ces résultats confirment clairement ceux qui ont été obtenus plus haut, selonlesquels :

• il existerait une étroite relation entre les écoulements superficiels et souterrains, en particulierle long des principaux axes de drainage que constituent les mégafractures du socle ;

• la bordure occidentale du bassin est plus riche en fractures ouvertes que la bordure orientale etl’existence de ces fractures favorise les écoulements souterrains.

Positionnement, productivité et gestion des forages

En zone de socle, pour être productifs, les forages doivent être :


FIGURE 5Couloir souterrain de circulation d’eau et axes préférentiels d’alimentation des nappesdéterminés par interprétation des valeurs de perméabilités induites par les fractures à l’intérieurdu SIHRS


• situés au croisement des fractures les plus longues, les plus nettes et, si possible, les plusnombreuses;

• en un point topographiquement bas;

• en aval d’un bassin versant le plus grand possible et à proximité d’un marigot permanent.

L’étude des relations entre forages et fractures peut ainsi s’avérer intéressante pour expliquerle rôle hydraulique joué par les différentes directions d’accidents tectoniques.

La carte du relevé détaillé des linéaments, initialement réalisée dans l’environnementEASI/PACE, a été transférée dans le SIHRS. Ce système d’informations hydrogéologiques apermis d’analyser la densité des linéaments et le nombre d’intersections entre linéaments à partird’une grille de 4 x 4 km, en classant les fractures selon les quatre directions principales N-S(D1), NE-SO (D2), E-O (D3) et NO-SE (D4). Par superposition de la base des données de forageà la carte des linéaments, nous avons mesuré les distances séparant chacun des 103 forages de lafracture la plus proche dans chacune des quatre directions principales.

Nous nous sommes ensuite intéressés aux décisions prises au moment de l’implantation desforages. On constate ainsi que 37 % des forages ont été associés à la direction NE-SO, 27 % à ladirection NO-SE, 23 % à la direction E-O et 18 % à la direction N-S. Or les directions NE-SO etNO-SE, qui correspondent aux directions éburnéennes et libériennes d’Afrique, sont les plusvisibles sur les photographies aériennes utilisées par les foreurs. Au contraire, les fractures N-Ssont toujours négligées parce qu’elles sont moins visibles sur les photographies aériennes. Il resteà confirmer que les deux directions privilégiées par les foreurs (NE-SO et NO-SE) sont bien lesplus productives.

Pour étudier l’indice de productivité des fractures, on reporte chaque direction des fractures etles distances d’éloignement des forages qui leur sont associés sur les axes des coordonnées. Onobtient ainsi des diagrammes de dispersion de la position des forages par rapport aux couplesd’orientation des linéaments : D1/D2, D2/D3, D3/D4 et D1/D4. Ces diagrammes permettent devisualiser les forages implantés à proximité et au croisement d’accidents aux orientations biendéfinies. La « croix de survie » est construite en regroupant les quatre diagrammes sur un mêmegraphe. Elle présente en son centre les forages pour lesquels la distance d’éloignement par rapportaux fractures est nulle. Cette zone centrale symbolise la productivité, la pérennité et donc lasurvie des forages. A l’opposé, les quatre sommets les plus éloignés de l’origine des axesreprésentent les zones de tarissement irréversible pour les ouvrages. L’étude de cette croix amontré que le couple D1-D4 est celui qui présente le plus haut profil de productivité. En effet,tous les forages à débit supérieur à 3 m3/h se concentrent dans un rayon de moins d’un kilomètredes fractures orientées dans ces deux directions. Au contraire, le couple D2-D3 se caractérise, surle diagramme, par une très grande dispersion des forages à gros débit. Ce résultat montreclairement que ce sont les accidents NO-SE et N-S qui, du point de vue de la productivité, sontles plus importants, comparativement à ceux d’orientation NE-SO et E-O. En effet, quand onétudie la répartition des gros débits suivant les quatre directions on constate que:

• pour les débits compris entre 6 et 14 m3/h, 63 % sont liés aux fractures NO-SE,25 % à la direction N-S, 12 % à la direction E-O et 0 % à la direction NE-SO ;

• l’influence de la direction NE-SO n’est remarquable que sur les débits compris entre 3 et 6m3/h, car 43 % des ouvrages à débit moyen sont liés à la direction NE-SO, 21 % auxdirections NO-SE et N-S et 14 % à la direction E-O.


La distribution des ouvrages, à l’intérieur des classes d’éloignement de 200 m en 200 m parrapport aux fractures, donne une courbe représentée sur la figure 6. Cette courbe est divisible entrois parties :

• une droite d’implantation idéale avec 27 % des ouvrages installés à proximité immédiate desfractures,

• un pic entre les abscisses 0 et 200 m montrant que la plupart des ouvrages sont implantés dansun couloir de 20 mètres autour des accidents,

• une courbe de décroissance rapide entre 200 et 1 100 m, limite d’éloignement maximal desforages par rapport aux fractures.

CONCLUSION

Une interprétation des images Landsat TM et des données du champ magnétique total, àl’intérieur du système d’information hydrogéologique à référence spatiale (SIHRS), a permisd’établir la carte des principales unités géologiques du bassin versant de la haute Marahoué etconduit au dessin des principaux axes structuraux de ce bassin. Les linéaments régionauxépousent, de façon relativement équitable, les orientations N170-190°, N80-100°, N30-60° etN120-160°.

L’analyse des variations spatiales des perméabilités induites montre que l’alimentation desaquifères se fait à travers les axes de drainage les plus développés. Elle est plus intense sur labordure Ouest que dans la partie orientale du bassin . Les accidents majeurs longent lesprincipaux cours d’eau de la région et plus particulièrement le cours de la Marahoué qui sesuperpose au principal axe de drainage souterrain d’orientation Nord-Sud. La Marahoué prend sasource dans une nappe souterraine importante où la perméabilité induite présente la plus fortevaleur (Kmax = 0,87 m/s). La perméabilité induite est également très forte (0,82 m/s) àTonhoulé, près de l’exutoire du bassin.

FIGURE 6Coupe de décroissance des pourcentages de forages en fonction des distances d’éloignementpar rapport aux fractures dans le bassin versant de la haute Marahoué


L’interprétation des phénomènes de fracturation et des profils d’altération dans un blocdiagramme, confectionné par traitement numérique des images satellitaires et intégration desdonnées dans le SIHRS, montre que l’épaisseur du front d’altération est assez faible dans lesecteur Nord (de 10 à 20 m), alors qu’à l’opposé, elle avoisine 70 m dans le Sud. L’évolution desdébits optimums, des arrivées d’eau et de l’ouverture des fractures en profondeur tend à mettre enévidence l’existence, dans le socle, d’une limite inférieure apparente des fractures ouvertes à uneprofondeur voisine de 90 à 100 m; à moins que cette limite ne provienne d’un artefact dû au petitnombre de forages réalisés à cette profondeur.

L’utilisation simultanée des techniques de traitement numérique des images satellitaires etd’un système d’information hydrogéologique à référence spatiale a permis de rehausser lesfractures affectant le socle cristallin du bassin de la haute Marahoué et de déterminer lesdistances séparant les forages en exploitation des fractures. Au total, 27 % des forages du bassincaptent directement les fractures et 68 % des forages sont situés à moins de 200 m de celles-ci.Aucun forage ne se situe à plus de 1 100 m d’une fracture. La direction libérienne, NO-SE, estcelle qui favorise le plus la circulation des eaux souterraines. De ce fait, elle est aussi la plusrecherchée dans l’implantation des forages. Elle intervient dans 42 à 62 % des implantations et 63% des forages à débit élevé (compris entre 6 et 14 m3/h) sont associés à cette direction. Lesaccidents orientés N-S, avec 25 % des forages à débit élevé, occupent la seconde place. Ils sontparadoxalement les plus négligés par les foreurs parce qu’ils sont difficiles à distinguer sur lesphotographies aériennes. A l’opposé, les directions NE-SO et E-O, les plus fréquemment viséespar les captages, sont malheureusement les moins productives et n’influencent que 12 % des fortsdébits.

Enfin, l’exploitation du SIHRS a permis de mettre au point un moyen efficace de contrôle desprogrammes d’hydraulique villageoise par la construction de la « croix de survie » des forages enmilieu de socle fissuré.

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Apport de la télédétection dans lamobilisation des ressources en eaux desurface et la gestion du secteur irrigué

Région de la basse vallée de la Medjerda, Tunisie

RÉSUMÉ

L’objectif de cette étude, menée par le Centre national de télédétection en collaborationavec la Direction générale des ressources en eau du Ministère de l’agriculture, est la miseau point d’une méthode intégrant les données satellitaires à haute résolution spatiale HRVde SPOT et TM de LANDSAT pour l’élaboration d’un inventaire cartographique etstatistique des ressources en eaux de surface (hydrographie, lacs, barrages, retenuescollinaires).

Les objectifs assignés à cette étude sont les suivants :

• établir une cartographie à l’échelle 1/50 000 de toutes les ressources en eau de surface,• évaluer les potentialités en eaux de surface par rapport à la superficie irriguée dans la

région,• aider à la gestion des ressources à l’aide d’un système d’information géographique. Dans une première phase, une interprétation analogique d’un tirage d’image SPOT XS surla zone d’étude prise en 1990 est réalisée dans le but d’identifier les plans d’eau et leszones de grande humidité et d’interpréter visuellement le réseau hydrographique dans lebassin versant de l’oued Medjerda; le même travail a été réalisé sur un tirage d’une imageLANDSAT TM de la même zone. Suit une étape de traitements numériques(classification, seuillage) réalisés sur le canal infrarouge SPOT et TM pour extraire lethème eau. Une deuxième phase consiste à analyser les ressources en eaux de surface parrapport aux périmètres irrigués dans la région. Ce traitement permet d’obtenir undocument cartographique sur l’évolution spatiale du secteur irrigué.

L’ensemble des résultats numériques obtenus sous forme de couches d’informationnumérique sur les eaux de surface et complétés d’informations exogènes constitue unebase d’informations utiles à la gestion des ressources. L’apport de la télédétection consisteen une cartographie numérique des ressources en eau à partir d’images satellitaires. Labase d’information générée par cette étude peut aider à optimiser l’exploitation de cetteressource dans le cadre d’une gestion hydroagricole de la région en fonction des objectifsde la stratégie nationale.

Lamine AouniCentre national de télédétection, Tunis, Tunisie

Session 2 : Apport de la télédétection dans la mobilisation des ressources en eau : Tunisie224

ABSTRACT

The objective of this study, carried out by the National Remote Sensing Centre, incollaboration with the General Directorate for Water Resources of the Ministry ofAgriculture, is the development of a method for the integration of high spatial resolutionsatellite data (HRV of SPOT and TM of Landsat) for the elaboration of statistical andcartographic index of surface water resources (hydrography, lakes, dams, hill reservoirs).

The study has the following objectives:

• prepare a 1/50 000 map of all surface water resources;• evaluate the potential in surface water in relation to the irrigated surface in the region;• support resource management through a GIS.

In a first phase, an analog interpretation of a printed SPOT XS image taken in 1990 wasused to identify water surface and very moist areas and to visually interpret thehydrological network of the Oued Medjerda watershed. The same work was carried outwith a printed Landsat TM image of the same area. This was followed by a phase of digitalprocessing (classification, thresholding) carried out on the infrared band of SPOT andLANDSAT to isolate the water theme. A second phase consisted in analysing the surfacewater resources in relation to the irrigated perimeters in the region. This treatmentprovides a map of the spatial evolution of irrigated areas.

All the numeric results obtained in the form of strata of digital information on watersurface completed with exogenous information provide a useful basis for water resourcemanagement. The contribution or remote sensing consists in a digital map of waterresources from satellite data. The information base generated by this study can help in theoptimisation of the use of the resource in the framework of rural water management in theregion within the objective of the national strategy for the mobilisation of water resources.

INTRODUCTION

La Tunisie, en raison de sa situation géographique, est un pays aride à semi-aride sur la majeurepartie de son territoire. Cette aridité, conjuguée aux caprices du climat méditerranéen, fait del’eau une ressource à la fois rare et mal repartie dans l’espace et dans le temps.

Du fait de la rareté des ressources en eau et de la variabilité de sa répartition face à desbesoins sans cesse croissants il est impératif de continuer à accorder au secteur de l’eaul’importance qu’il mérite, notamment en ce qui concerne les actions d’identification, deplanification et de gestion de ces ressources.

LE BILAN DES RESSOURCES EN EAUX DE SURFACE EN TUNISIE

Le bilan global actualisé par la Direction générale des ressources en eau en 1990 indique unpotentiel global de 4 500 Mm3/an reparti comme suit:

• eaux de surface : un potentiel de 2 700 Mm3/an dont 2 100 Mm3/an sont mobilisables,• eaux souterraines : un potentiel de 1 840 Mm3/an dont la totalité est mobilisable


moyennant la réalisation des ouvrages de captage nécessaires.

Sur le potentiel global des eaux de surface, 64% de celles mobilisables sont déjà mobilisés(soit 1 335 Mm3/an sur 2 100 Mm3/an). Le tableau 1 fournit un bilan détaillé des eaux de surfacedu Nord de la Tunisie et une comparaison avec les autres régions du Centre et du Sud.

TABLEAU 1Les ressources en eaux de surface de la Tunisie.

Régionnaturelle

Secteurhydrologique

Basses Eaux Ruissellement Total

V(Mm3) Salinité g/l V(Mm3) Salinité g/1 V(Mm3) Salinité g/1

Nord

Extrême NordSystème IchkeulMedjerdaMeliane côtiersCap-Bon

85502001020

0,681,682;255,502,20

50032580040160

0,500,481,002,850,83

585375100090180

0,550,631,253,401,00

Nord 365 325 2190

Total Centre 41 279 320

Sud 9 181 190

Total Tunisie 415 2285 2700

Ainsi les potentialités en eaux de surface de la Tunisie identifiées à ce jour se répartissentcomme suit:

• 81% pour le Nord• 11% pour le Centre• 8% pour le Sud

Une stratégie de développement pour les dix prochaines années a comme premier objectif demobiliser la totalité des ressources en eau actuellement identifiées, de manière à répondre auxbesoins en eau des secteurs agricole irrigué, industriel, et des services. Un deuxième objectif decette stratégie considéré comme prioritaire est la prospection des nouvelles ressources poursatisfaire les besoins croissants des divers utilisateurs.

Les objectifs de la stratégie nationale actuelle de mobilisation des ressources en eau sont lessuivants :

• exploiter l’ensemble des ressources en eaux souterraines exploitables, et mobiliser les eaux desurface mobilisables pour la satisfaction des besoins en eau potable et d’irrigation, soitaugmenter de 639 Mm3/an les eaux de surface disponibles;

• identifier les nouvelles ressources dans les zones où les eaux de ruissellement ne sont pas

encore suffisamment maîtrisées et où les eaux souterraines ne sont pas entièrement reconnues,pour porter les ressources de 350 à 500 Mm3/an;

• entreprendre une politique d’économie de l’eau et utiliser des ressources non conventionnellesdans le but de réduire des taux de perte estimés à 30% pour le réseau de distribution de l’eaupotable et 40% pour le réseau d’irrigation. Le tableau 2 donne la situation et les perspectivesdu secteur irrigué.


TABLEAU 2Situation et perspectives du secteur irrigué.

RESSOURCES EN EAU SUPERFICIE IRRIGABLE (en maîtrise totale)

DISPONIBLE (ha) POTENTIELLE (ha)

Barrages et lacs collinaires

Nappes profondes

Nappes phréatiques

Oueds

Eaux usines traitées

97000

85000

125000

14000

6000

169000

62000

130000

15000

42000

SUPERFICIE TOTALE 300 000 400 000

Allocation en eau (en Mm3) 1900 2400

Depuis plusieurs années, des campagnes d’inventaire des ressources en eaux de surface et desopérations d’évaluation, ou études hydrologiques, ont été entreprises à différents niveaux,notamment en ce qui concerne les grands bassins du pays comme la Medjerda, le Mellegue, leMeliane ou le Zeroud.

Dans ce contexte, afin de répondre aux objectifs de la stratégie nationale de mobilisation deseaux de surface, d’offrir un bilan des potentialités hydrologiques rapide et actualisé, de suivrel’évolution des grands systèmes hydrologiques et de comprendre le comportement des petitesentités hydrologiques de plus en plus sollicitées, le choix des pouvoirs publics a porté sur uneapproche d’inventaire basée sur la télédétection pour mener une étude de diagnostic et fournir lesdonnées nécessaires à la planification de l’utilisation et de la gestion de ces ressources vitalespour l’économie du pays.

CARACTERISTIQUES DE L’ÉTUDE

Objectifs

Cette étude à caractère expérimental a été entreprise par le Centre national de télédétection encollaboration avec la Direction générale des ressources en eau et la Direction des périmètresirrigués du Commissariat régional du développement agricole du gouvernorat de l’Ariana pourrépondre aux objectifs suivants:

• établir un inventaire cartographique des ressources en eaux de surface,• cartographier les potentialités en irrigation dans la zone d’étude,• aider à la gestion des ressources en eaux de surface et constituer une base de données

hydrologiques.

L’étude expérimentale est en cours et aura une durée de six mois; elle vise à mettre à l’essailes possibilités offertes par les images satellite des différents capteurs (tableau 3).


TABLEAU 3Caractéristiques des images satellitaires retenues pour l’étude expérimentale.

CAPTEUR MODE KJ DATE NIVEAU DETRAITEMENT

Spot

LANDSAT

XS

XS

XS

TM

65.276

64.276

64.276

191.135

16/06/90

16/06/90

07/05/88

19/06/90

1B

1B

1B

Choix de la zone d’étude

La zone test choisie (figure 1) est située dans la vallée de la Medjerda, principal bassinhydrologique de la Tunisie. Elle s’étend du barrage d’élévation d’El Aroussia jusqu'àl’embouchure de l’oued Medjerda en Méditerranée. Cette zone correspond aux basses plainesd’un ancien golfe dont le comblement se poursuit rapidement; elle se rétrécit au Sud oùl’ensemble du Jebel Ammar la sépare du bassin de Tunis ; la région reçoit une pluviométriecomprise entre 400 et 600 mm/an, avec une variabilité interannuelle moins accusée qu’àl’intérieur. Sa vocation agricole principale est le maraîchage et l’arboriculture intensive irriguée.

Méthodologie

La démarche méthodologique visait à proposer un outil d’inventaire opérationnel fiable etreproductible. Elle repose sur les fondements suivants :

• utilisation conjointe de l’extraction automatique et par interprétation visuelle de l’information,• choix des données les plus précises et propagation de l’information,• segmentation de l’image par masque pour éviter les confusions. Données utilisées

Cette étude expérimentale est basée sur l’utilisation d’images SPOT XS (20 m) et LANDSATTM (30 m), disponibles au C.N.T. : trois scènes SPOT XS de niveau 1B, prises pendant lapériode de juin et juillet 1990 et 1988, et un quart de scène LANDSAT TM prise en 1990. Lesscènes SPOT sont de niveau 1 B afin de conserver la qualité radiométrique de l’information.D’autres données relatives aux périmètres irrigués et aux ressources en eaux de surfacedisponibles au Ministère de l’agriculture (délimitations, réseau d’irrigation/drainage) ont étéexploitées et intégrées dans l’interprétation .

Signature spectrale de l’eau

L’identification de l’eau se base sur le profil spectral tout à fait spécifique dans le canal procheinfrarouge (PIR) caractérisé par des réflectances faibles car l’eau absorbe fortement lesrayonnements dans cette tranche de longueurs d’onde. On peut ainsi aisément discriminer lessurfaces en eau, qui apparaissent sur l’image avec de faibles valeurs numériques.


Toutefois, certaines confusions existent entre le thème eau à forte réflectance et d’autresthèmes (végétation, zones humides, zones d’ombre). Les bandes PIR de SPOT et TM deLANDSAT offrent toutes les applications de sensibilité à l’humidité du sol et du feuillage (figure2).

D’autre part, la détection des plans d’eau est tributaire de la superficie du plan d’eau et del’effet de son environnement.

Classification des images satellitaires

La méthode utilisée consiste à classer par un seuillage rigoureux dans la bande PIR du thème eaupour obtenir la surface d’eau probable en fonction des seuils définis. Un deuxième seuillage

FIGURE 1Plan de situation


moins rigoureux a permis declasser des thèmes de végétation.L’identification des cultures irri-guées à été aisée grâce aux valeursnumériques élevées observéesrelativement à ce thème.

Choix des seuils radiométriquesdu thème eau

Une étape d’apprentissage etd’analyse de l’histogramme desbandes PIR (SPOT et LANDSAT)a permis définir les seuilsradiométriques du thème de l’eau(tableau 4). Plusieurs tests ont étéréalisés et une confusion persisteentre le thème de l’eau et celui descultures fortement humides depetite taille. Une autre confusionest notée au niveau des zonesd’ombres portées.

Choix des seuils de l’indice devégétation et identification descultures irriguées

Dans un souci de mieux isoler lethème végétation, et plus parti-culièrement les cultures irriguées,on a calculé l’indice de végétationà partir du rapport entre les bandesXS2 et XS3 de l’image SPOT. Cenéocanal a été utilisé pour classer les thèmes de végétation en fonction des caractéristiquesspectrales de plusieurs parcelles à couvert végétal homogène. Le couvert végétal a pu être ainsiextrait du reste de l’information de l’image. Les cultures irriguées se distinguent des autres typesde végétation par des valeurs radiométriques plus élevées (tableau 5).

TABLEAU 4Seuils radiométriques du thème eau.

Thème SPOT(Données proche infrarouge)

LANDSAT TM(Données proche infrarouge)

Eau De 0 à 20 De 0 à 31

TABLEAU 5Seuillage de l’indice de végétation.

Indice de végétationIV/SPOT IV/ LANDSAT TM

Végétation 38-68 31-70Cultures irriguées 70-98 73-105

FIGURE 2Courbes de réflectance de l’eau, du sol et de la végétation(Girard, 1989)


Cartographie des ressources en eaux de surface

Les résultats des traitements numériques de niveau 1B sont corrigés géométriquement par rapportà eux-mêmes (superposition image/image) puis par rapport à un référentiel géographique. Lamise en forme et l’habillage cartographique ont été réalisés d’une manière automatiqueconformément aux normes de la cartographie thématique.

Numérisation d’informations complémentaires

La délimitation des périmètres publics irrigués (PPI) et le dessin des réseaux d’irrigation et dedrainage ont été intégrés à la carte des ressources en eaux de surface à partir de documentsdisponibles au Ministère de l’agriculture.

RÉSULTATS

Les premiers résultats de cette étude expérimentale en cours figurent ci-dessous :

1. La carte des ressources en eaux de surface sur fond d’image SPOT à une échelle de 1/50 000en 1990 contenant les thèmes suivants:

• hydrographie,• plans d’eau, lacs collinaires,• barrages,• limites de bassin versant,• zones fortement humides (hydromorphie).

Cette carte couvre la zone test à partir du barrage d’El Aroussia.

2. La carte des cultures et périmètres irrigués à l’échelle de 1/50 000 et leur évaluation parrapport aux thèmes suivants:

• grandes cultures,• cultures irriguées probables,• limites des PPI,• zones irriguées déclassées (changement de vocation)• réseau principal d’irrigation,• réseau de drainage.

3. Une base de données hydrologiques constituant un outil de gestion : cette étude a généré unemasse d’informations numériques relatives aux ressources en eaux de surface et à leurutilisation. La base d’informations actualisées peut servir à l’établissement d’un pland’aménagement hydroagricole et de gestion des ressources en eaux de surface.

CONCLUSION

Cette étude expérimentale a montré que les données multispectrales haute résolution de typeSPOT et LANDSAT TM permettent une cartographie thématique des ressources en eaux de


surface. Il est possible d’établir non seulement des inventaires et une cartographie précise desplans d’eau et leur dénombrement, mais aussi des discriminations des différents types d’eaux desurface en fonction de leur nature. Pour les zones déjà cartographiées, on peut effectuer une miseà jour rapide de l’information. Pour les zones mal connues, ou peu accessibles, c’est un outild’investigation précieux.

Le proche infrarouge reste le domaine spectral le mieux adapté à la séparation de ces thèmes.En ce qui concerne cette étude, il est intéressant de noter que :

• Si la méthode proposée permet une bonne reconnaissance automatique à l’échelle d’une zoneétendue, une identification des plans d’eau à partir d’images nécessite le choix d’une date deprise d’images qui correspond à des périodes sèches et à un minimum d’effet d’ombre.

• L’utilisation des données panchromatiques et le modèle numérique du terrain (MNT) peuventaider à l’identification des bassins versants favorables à la petite hydraulique.

• La méthode est reproductible sur d’autres régions de la vallée de Medjerda. Elle permet demieux évaluer les potentialités hydrologiques de la zone d’étude et les possibilitésd’aménagement hydroagricole.

Pour améliorer la précision et la fiabilité de ces résultats on peut :

• suivre la variabilité spectrale saisonnière de l’eau, ce qui facilitera la détection desmodifications,

• isoler préalablement par des masques les thèmes pouvant prêter à confusion dans l’évaluationdes surfaces en eau,

• intégrer les données PA de SPOT indispensables pour l’analyse de l’hydrographie en fonctiondes bassins versants et de leurs possibilités hydrologiques.

Hormis ces contraintes, les cartes issues de la télédétection constituent un outil d’inventaire et

de gestion des ressources en eau fiable et opérationnel, basé sur l’exploitation des paramètresspectraux spatiaux et temporels. Ces documents, combinés à d’autre données telles que lescaractéristiques et la vocation des ressources en eau, peuvent contribuer à une meilleuremobilisation des ressources en eaux de surface et permettre une gestion efficace et rationnelle dusecteur hydroagricole.

BIBLIOGRAPHIE

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DRE. 1993. Étude hydrologique du bassin de l’oued Medjerda.

DRE. 1994. Étude de la stratégie nationale des ressources en eau (9ème plan DES).

Verdin, J.P., Eckhart, D.W. et Lyford, G.R. (USA). Evaluation of monitoring irrigated lands.

UTAP. 1993. Réalisations hydrauliques en Tunisie.



Session 3

Modélisation hydrologique et déterminationde paramètres

Hydrological modelling and determination ofparameters

Session 3234


Caractéristiques hydrologiques des sols

Soil hydrological characteristics

Session 3236


Description et cartographie des états desurface d’un petit bassin versant soudano-

sahélienRégion de Bidi, Nord Yatenga, Burkina Faso

RÉSUMÉ

L’objectif de cet article est de présenter une démarche rationnelle permettant l’élaborationd’une typologie et d’une cartographie des formations superficielles d'un petit bassinversant, utilisables à des fins de modélisation hydrologique ou de lutte contre l’érosion. Lepetit bassin de Samniwéogo, lieu de cette étude, fait partie du terroir de Bidi. Il est situédans la province du Yatenga, au Nord-Ouest du Burkina Faso.

Les observations au sol sont effectuées sur un ensemble de 75 sites ponctuels (100 m²).Elles portent sur le couvert végétal, le sol et son organisation superficielle. La typologie ensurfaces de référence du bassin est ensuite établie à partir d'une codification desobservations et d'une classification par la méthode des “ distances minimum de tri ”. Ladescription des neuf surfaces de référence selon la nomenclature proposée par Casenave etValentin (1989) permet d'envisager la modélisation de leur comportement hydrologique et,par voie de conséquence, la modélisation hydrologique spatialisée du bassin versant.

La cartographie des états de surface est réalisée à partir d'une image SPOT de début desaison des pluies (22-06-1987). Un traitement numérique de l’image définit huit classesradiométriques. Les correspondances entre ces classes radiométriques et les neuf surfacesde référence permettent d'établir un premier document cartographique, complété par uneinterprétation des photographies aériennes et un levé direct des zones cultivées sur lebassin versant au cours de l'année 1987.

ABSTRACT

The aim of this paper is to present a rational approach used to develop a typology and mapthe surface features on a small catchment area, in order to model the runoff and controlthe erosion. The basin of Samniwéogo, in the region of Bidi, is located in north-westBurkina Faso, province of Yatenga.

Ground observations, plant cover, soils and their surface structure, are made on 75 sites(surface area of approximately 100 m2). The typology of Reference Surfaces is establishedfrom a codification and a classification of the observations with the DIMITRI method(DIstances MInimum de TRI). The description of nine Reference Surfaces with the surfacefeatures list of Casenave and Valentin (1989) make it possible to model the runoff at theelementary scale .

In mapping the surface features, a SPOT view of the start of the rainy season (22-06-1987) was used anda digital classification made, which defined eight radiometric classes. The relationship betweenradiometric classes and Reference Surfaces makes it possible to map the natural surface features of theSamniwéogo basin, which was completed with aerial photographs after a survey of the fields during therainy season 1987.

François GuilletLa Petgola, E8 Cours Malbosc, Montpellier, France

Session 3 : Description et cartographie des états de surface d’un petit bassin versant238

FIGURE 1Image SPOT du 22 juin 1987: Canaux : vert, rouge, proche infrarouge (adaptation par améliorationde contrastes)


INTRODUCTION

Cette étude s'inscrit dans la lignée des études hydrologiques de détermination de la ressource eneau des cultures effectuées dans la région de Bidi au Nord Yatenga (Burkina Faso) par l'Orstom(Serpantié 1988, Lamachère et Serpantié, 1991) et par le CIRAD (Guillet et al. 1991, Guillet1991). Le bassin de Samniwéogo constitue un site de dimension intermédiaire (3 km2) au seind'un dispositif emboîté : micro-parcelles (1 m2), parcelles (1 ha), petits bassins (2 à 10 km2) etgrands bassins versants (50 à 150 km2).

Dans cet article, nous exposerons successivement:

• la méthodologie employée pour la description et la cartographie des états de surface,

• la description des surfaces élémentaires et des états de surface du bassin de Samniwéogoconduisant à une typologie des surfaces de référence,

• la cartographie des états de surface à partir d’une image SPOT de début de saison des pluieset de photographies aériennes.

La modélisation hydrologique et l'introduction des contraintes agricoles, ainsi quel'introduction des transformations du couvert végétal dans la modélisation hydrologique, sonttraitées dans un autre article (Guillet, Lamachère et Puech, à paraître). Les surfaces cultivéessont soumises en effet aux migrations et rotations culturales d'une année à l'autre. De plus, aucours d'une saison des pluies, les façons culturales modifient radicalement l'état de surface dessols cultivés et leur comportement hydrologique (Lamachère 1991).

MÉTHODOLOGIE

Les descriptions au sol

Le travail de terrain donne lieu à une segmentation du paysage en grandes zonesgéomorphologiques qui sont caractérisées par une description de leurs composantes édaphiques(sols, couvert végétal, pente, manifestations érosives) et anthropiques (travail du sol,aménagement, plantes cultivées). A l'intérieur de ces zones, définies par une description sommairede leurs caractéristiques physiques et biologiques, on extrait un échantillon de 75 sites ponctuels(figure 1) choisis selon des critères morphopédologiques. Ces sites font l'objet de descriptionsminutieuses du couvert végétal, du type de sol, de l'activité biologique superficielle, des surfacesélémentaires, selon des protocoles analogues à ceux du catalogue des états de surface de la zonesahélienne (Casenave et Valentin 1989).

La typologie des états de surface

Les descriptions, réalisées sur les sites ponctuels, ont été codifiées puis triées par une analysefactorielle des correspondances multiples (AFCM). Des noyaux, individus types, sont ainsidéterminés. Les groupes sont définis et les noyaux ajustés en procédant à des classificationsitératives par la méthode des "distances minimum de tri" (DIMITRI, Girard et King 1988). Lescaractéristiques de ces noyaux optimisés sont ensuite précisées et constituent les donnéesdescriptives des surfaces de référence. On en déduit finalement une typologie des organisationssuperficielles du sol sous la forme de descriptions d'un ensemble restreint de surfaces de référence(Guillet 1991).

Le rattachement des surfaces de référence à la typologie des états de surface proposée parCasenave et Valentin (1989) est réalisé à partir de descriptions détaillées de points d'observation,de lignes et de transects (Valentin 1988, N'Djafa Ouaga 1990, Zongo 1993, Mansour 1995). Les


lignes sont des bandes rectilignes longues de 300 à 500 m, larges de 20 m et les transectscorrespondent à des successions de lignes recoupant différentes zones géomorphologiques.Chaque type de surface élémentaire étant associé à une relation hydro-pluviométrique dans lecatalogue des états de surface de la zone sahélienne, le comportement hydrologique des surfacesde référence peut être caractérisé par une relation hydro-pluviométrique moyenne tenant comptedu taux de recouvrement de chaque type de surface élémentaire.

La cartographie des états de surface

Le choix de l'image SPOT, acquise le 22 juin 1987 à 12H TU, résulte du souhait exprimé par lesphyto-écologues de disposer d'une image de début de saison des pluies permettant une bonnevision des couverts arboré et arbustif de la région de Bidi. En outre, le faible taux derecouvrement de la végétation herbeuse, à cette époque de l'année, a permis une cartographie dessols relativement aisée. Une amélioration de contraste par adaptation dynamique simple permetd'obtenir une visualisation satisfaisante des principales unités géomorphologiques. L'indice devégétation (NDVI), défini par la relation : NDVI = (PIR - rouge) / (PIR + rouge), est utilisécomme canal complémentaire caractéristique de la couverture végétale. Huit classesradiométriques ont été définies en utilisant l'adaptation dynamique (hypercubes) comme méthodede classification de l'image satellite.

Les correspondances entre ces classes radiométriques et les surfaces de référence sont établiespar comptage des sites échantillonnés, localisés sur l'image satellite. Le traitement numérique dela seule image du 22 juin 1986 est insuffisant pour distinguer les zones cultivées. Uneinterprétation d’agrandissements de photographies aériennes et un levé direct sur le terrain sontnécessaires pour cartographier ces zones cultivées.

LA DESCRIPTION ET LA TYPOLOGIE DES ÉTATS DE SURFACE

Au Sahel, les surfaces naturelles se différencient principalement par le couvert végétal, le type desol et son organisation superficielle (encroûtement). Le type de sol varie peu au cours du temps.Par contre, la végétation annuelle présente de fortes variations saisonnières et la répartitionspatiale des surfaces agricoles varie chaque année en fonction des assolements et des stratégiespaysannes. Par contre, les types de culture, la nature et la dynamique des surfaces au cours ducycle cultural y sont relativement constants. La mise en culture constitue probablement, danscette région soudano-sahélienne, le principal facteur de transformation des sols.

Les unités géomorphologiques

Le bassin de Samniwéogo se divise schématiquement en trois grands ensembles géo-morphologiques: le domaine cuirassé, le domaine sableux à drainage limité en profondeur et ledomaine sableux hydromorphe.

Le domaine cuirassé se situe au sommet des versants. La densité du couvert végétal permet d’ydifférencier deux sous-ensembles : une unité de savane arbustive dense et une unité de savanearbustive dégradée.

Le domaine sableux à drainage limité en profondeur se situe à l’aval du domaine précédent. Lacuirasse y est nappée d’une couverture de sables éoliens atteignant 2,5 m d’épaisseur dans lapartie médiane du versant. Cette épaisse couche de sables est enrichie en argile et en concrétionsferrugineuses en profondeur. La densité du couvert végétal et la mise en culture subdivisent cedomaine en trois faciès étagés : une savane arbustive lâche, une savane arbustive lâche dégradéeet des champs cultivés.


Le domaine sablo-argileux hydromorphe est localisé dans la partie aval de la toposéquence etsur les replats topographiques. Le sol, mal drainé, est hydromorphe à faible profondeur (0,5 m)dès l'approche du bas-fond. Le type de couvert végétal et la mise en culture subdivisent cedomaine en quatre unités : les champs cultivés, une savane herbeuse très dégradée, une savaneherbeuse dense et une savane arborée et arbustive dense.

La typologie locale des surfaces élémentaires

Casenave et Valentin (1989) définissent la surface élémentaire comme une unité pédologiquesuperficielle différenciée sur un même type de sol dont la surface est caractérisée par un couvertvégétal homogène et une organisation qui résulte des transformations subies sous l'effet desfacteurs météorologiques, phytoécologiques, fauniques et anthropiques. Dans la région de Bidi,Lamachère a distingué 21 types de surfaces élémentaires (Mansour 1995) brièvement décrits surle tableau 1.

L'observation des états de surface

La description des sites ponctuels a fait l'objet d'un encodage systématique des descriptions afinde permettre un traitement statistique des données. Ces descriptions prennent en compte nonseulement la surface du sol, son relief, sa couverture végétale et sa porosité, mais aussi la pentedu terrain, les profondeurs d'induration et d'hydromorphie.

Les micro-horizons pelliculaires de surface (MOPS) sont décrits conformément aux normesproposées par Casenave et Valentin (1989). Cinq types de micro-horizons pelliculaires ont étéobservés : 1 : type grossier (GRO) 2 : pellicule d'érosion (ERO)

3 : pellicule de dessiccation (DES) 4 : surface culturale (C1 à C3)5 : croûte structurale à 3 horizons (ST3) 6 : croûte de décantation (DEC)

La porosité vésiculaire. Valentin (1985) insiste sur son effet limitant l'infiltration, par piégeagede l'air sous la forme de petites bulles lors de l'engorgement de la surface du sol. La codificationde cette caractéristique est la suivante : 1 absence de porosité vésiculaire, 2 faible porositévésiculaire, 3 forte porosité vésiculaire.

Les microalgues sont des cyanophycées à mucilage et constituent une armature de la surface surcertains versants argilo-limono-sableux décapés par l'érosion. Constituées d'un tissage defilaments mycéliens couverts d'un mucilage, elles tendent à imperméabiliser la surface du sollorsqu’elles s’humectent (Dulieu, Gaston et Darley, 1977). L'absence d'algues a été codée 1, laprésence d'algues a été codée 2.

La végétation, par la densité de la couverture végétale, est un facteur essentiel de porosité dessurfaces. Cependant, son influence sur l’interception, le ruissellement et l’infiltration varie enfonction du type de couvert et du taux de recouvrement de la surface du sol. Nous avons doncdistingué, dans nos descriptions, le taux de recouvrement végétal global, les couverts arboré,arbustif et herbacé. Chaque type de couvert a été codé en trois classes : densité faible (1), densitémoyenne (2) et densité forte (3).

Les perforations animales : Lal (1988) rappelle, en ce qui concerne les termites, quel'accroissement d'infiltration dépend du degré de connexion des réseaux de macropores avec lasurface. Les perforations zoologiques de la surface du sol ont été codées en trois classes:rares (1), moyennes (2) et fortes (3).

Les figurés de surface sont les manifestations superficielles de l'érosion et de la dessiccation.Leur codification fait état de l’absence de figures (1) ou de leur présence dans l’ordre de leurincidence bonifiante sur l’infiltration (2,3,4).


TABLEAU 1Les surfaces élémentaires de la région de Bidi

Types Principales caractéristiques des surfaces

de surfaces

élémentaires

Sols Micro-

relief

Couvert végétal Position

topographique

Croûtes

% de recouv.

Surfaces cultivées

C 1.1 Sableux Fort Faible Haut et mi-versant Sans

C 1.2 Sab.-lim.-arg. Fort Faible Bas versant Sans

C 2.1 Sableux Moyen Faible Haut et mi-versant Por. vés.< 30%

C 2.2 Sab.-lim.-arg. Moyen Faible Bas versant Por. vési.< 30%

C 3.1 Sableux Faible Faible Haut et mi-versant Por. vés.> 30 %

C 3.2 Sab.-lim.-arg. Faible Faible Bas versant Por. vés.> 30 %

Surfaces à faible activité faunique et sans charge grossière

DES 1 Sableux Moyen Sup. à 50 % Haut et mi-versant Dessic., 0%

DES 2 Sableux Moyen Inf. à 50 % Haut et mi-versant Dessic. < 30 %

DES 3 Sab.-lim.-arg. Moyen Sup. à 50 % Bas versant Dessic., 0%

DES 4 Sab.-lim.-arg. Moyen Inf. à 50 % Bas versant Dessic. < 30 %

ST 2.1 Sableux Faible Nul Haut et bas versant Struct. 2, 100

ST 2.2 Sableux Faible Sup. à 50 % Haut et bas versant Struct. 2, 100

ST 3 Sable et gravi. Faible Nul Haut versant Struct. 3, 100

DEC 1 Limno-argil. Faible Inf. à 20 % Bas versant Décant., 100

DEC 2 Sableux Faible Inf. à 50 % Mi-versant Décant., 100

DEC 3 Argileux Faible Inf. à 20 % Bas-fond Décant., 100

ERO 1 Arg. et gravi. Faible Nul Haut versant Erosion, 100

ERO 2 Sableux Faible Nul Mi-versant Erosion, 100

ERO 3 Sab.-lim.-arg. Faible Nul Bas versant Erosion, 100

Surfaces à faible activité faunique et avec charge grossière supérieure à 40 %

GRO 1 Gravillonnaire Moyen Très faible Haut versant Struct. 3, 100

GRO 2 Graveleux Moyen Très faible Haut versant Struct. 3, 100

Le méso-relief traduit l'état de rugosité de la surface du sol. Il se présente sous deux formes : lesmodelés culturaux (billons, sillons ou buttes) et les modelés sableux éoliens. Il intervient dans lestockage superficiel des eaux et contribue à retarder le ruissellement (Lamachère et Serpantié,1991). L'importance du méso-relief est codée de 1 à 3 par ordre croissant.

La texture renseigne sur la composition du squelette et de son réseau poreux. La codification dela texture est la suivante: A sols argileux, S sols sableux, K cuirasse ou carapace latéritique. Les


éléments grossiers constituent l'armature de la macro-porosité. La fréquence d'éléments grossiersa été codée de 1 à 3 par ordre d'abondance croissante.

La couleur renseigne sur l'état de la végétation à la surface du sol. La codification de la couleurest la suivante: B brun, G gris, J jaune, N noir, R rouge. L'équilibre entre deux couleurs est notépar deux lettres majuscules. La plus faible importance d'une couleur est notée par une lettreminuscule.

La pente du terrain est codée 1 pour une déclivité métrique inférieure à 1 % et 2 pour unedéclivité métrique comprise entre 1 et 3 %.

L'induration peut provoquer un arrêt de l'infiltration à faible profondeur. Par ordre croissant,nous distinguons les profondeurs d'induration suivantes : inférieures à 10 cm (1), comprises entre10 et 50 cm (2), comprises entre 50 cm et 2 m (3) et supérieures à 2 m (4).

L'hydromorphie caractérise bien le fonctionnement hydrique actuel du sol. Sa profondeur demanifestation correspond à l’existence d’un engorgement permanent du sol au cours de la saisondes pluies. Par ordre croissant, nous avons distingué les profondeurs: inférieure à 1 m (1),comprise entre 1 et 2 m (2), supérieure à 2 m (3).

La situation géomorphologique des sites a été codée selon l'ordre topographique suivant: buttecuirassée (1), haut glacis (2), moyen glacis (3), bas glacis (4), thalweg (5), bas-fond (6).

LA TYPOLOGIE DES SURFACES DE RÉFÉRENCE

Le traitement statistique des observations

L'analyse factorielle des correspondancesL'analyse factorielle des correspondances (AFC) est effectuée une première fois à partir d'untableau de 17 variables correspondant à celles qui ont été définies précédemment. Ces variablessont décrites sur un échantillon de 75 sites ponctuels du petit bassin de Samniwéogo. La formegénérale du nuage de l'AFC permet de recoder convenablement les variables et d'assurer ainsi lacohérence de la classification. En ne conservant que huit variables décrivant l'état de surface dusol : le couvert végétal global, les micro-horizons superficiels, la porosité vésiculaire, la texture,les micro-algues, la couleur, le méso-relief et le figuré de surface, la classification conserve toutesa cohérence.

La classification par les DIstances MInimum de TRI (DIMITRI)La classification par la méthode des distances minimum de tri (Girard 1983, Girard et King1988) permet la constitution de groupes de référence identifiés par leurs centres. Elle se fait aucours d'approximations successives en initialisant la procédure avec des noyaux identifiés d'aprèsles résultats de l'analyse factorielle des correspondances. Pour les approximations suivantes, onredéfinit les caractéristiques moyennes des variables de chaque noyau en s'efforçant de minimiserla distance moyenne interne à chaque groupe et la distance moyenne générale. On arrête laprocédure lorsque les distances moyennes des noyaux ne décroissent plus. Pour le petit bassinversant de Samniwéogo (tableau 2), la cinquième approximation a été retenue pour établir latypologie des surfaces de référence car elle donne la typologie la mieux adaptée au terrain pourdes distances stables, très proches des distances minimales.

Typologie et description des surfaces de référence

Les 75 sites du petit bassin versant de Samniwéogo peuvent être rattachés individuellement à neufgroupes caractérisés par les valeurs des variables de leurs noyaux. Ces neuf surfaces de


TABLEAU 2Distances de tri par la méthode DIMITRI ( 10-4)

Noyaux Ordre des approximations

1 2 3 4 5 6 7 8

N1 Sam6 101 86 98 98 93 93 92 92

N2 809 95 63 50 60 60 60 60 60

N3 814 118 97 53 75 74 74 74 74

N4 816 52 52 53 65 79 79 79 79

N5 802 117 70 94 77 76 100 97 97

N6 Sam3 97 105 68 39 38 38 38 38

N7 Sam7 78 25 68 43 58 58 58 58

N8 P4 25 93 108 115 117 71 73 73

N9 R9 91 82 25 25 24 24 24 24

Dist. moy. 91 75 68 59 59 59 59 59

TABLEAU 3Description codée des surfaces de référence

Variables Surfaces de référence

descriptives A B C D E F G H I

Couv. végét. 1 1 3 2 1 1 2 2 3

Arbres 1 1 2 1 1 1 2 1 2

Arbustes 1 1 2 1 1 1 2 1 2

Herbes 2 1 2 1 1 1 2 1 1

M.O.P.S. 1 2 1 4 2 2 2 5 6

Poro. vési. 1 1 1 2 1 3 3 2 1

Algues 1 1 1 1 1 2 1 2 2

Fig. surf. 1 2 1 1 2 2 1 1 2

Méso-relief 1 2 1 2 1 2 1 2 1

Texture K S S S S S A S A

Elém. gros. 2 1 1 1 1 1 1 1 1

Couleur R R J G b B j R J J R J G B G B N

Pente 1 2 1 2 2 2 1 1 1

Prof. indur. 1 2 2 3 4 4 4 4 4

Prof. hydrom. 3 3 3 3 2 2 1 2 1

Géomorpho. 1 2 3 2 3 3 5 4 5


référence sont présentées sur le tableau 3 selon leurs caractéristiques codées. Leurs compositionsen surfaces types élémentaires, selon la nomenclature de Casenave et Valentin (1989) etconformément au tableau 1, et leurs descriptions sont présentées ci-après.

SR "A" : milieu cuirassé ou rocheux. Les cuirassements ou enrochements granitiques sont plusou moins compacts et fissurés, avec des éléments grossiers à la surface du sol. Une végétationarbustive se développe dans les anfractuosités de la cuirasse. Un tapis herbacé couvre les dépôtssableux éoliens en micro-buttes. Composition : 0,02 DES1 + 0,05 DES2 + 0,03 ST21 + 0,15DEC1 + 0,05 DEC2 + 0,20 ERO1 + 0,40 GRO1 + 0,10 GRO2.

SR "B" : milieu dégradé sur cuirasse. Les sols sableux peu épais sont couverts de pelliculesd'érosion de couleur rouge à jaune, sans porosité, sans traces d'activités animales, avec desfigurés superficiels en prismes et une semelle de labour. Le méso-relief est dunaire, la couverturevégétale faible à nulle. Les formations cuirassées sont peu profondes, la pente est modérée.Composition : 0,35 DES1 + 0,10 ST21 + 0,10 DEC1 + 0,10 DEC2 + 0,15 ERO1 + 0,20 GRO1.

SR "C" : milieu sableux de haut de pente bien drainé en surface. Ces surfaces se développentdans les talwegs sableux ou sur les zones légèrement concaves des hauts de pentes à cuirasse oucarapace peu profonde. La couverture végétale y est dense, herbacée et arbustive. Lesperforations animales y sont importantes. L'hydromorphie s'y manifeste parfois à faibleprofondeur. Composition : 0,45 DES1 + 0,05 ST21 + 0,05 DEC1 + 0,20 DEC2 + 0,20 ERO1 +0,05 GRO1.

SR "D" : milieu dégradé de haut de pente assez bien drainé. Des pellicules d'érosion, brunes-jaunes, sans algue, apparaissent sur sols sableux avec peu d'éléments grossiers. Les perforationsanimales y sont faibles et les figurés d'érosion (rainurages et fentes de retrait) fréquents. Le méso-relief est peu important, cultural ou micro dunaire, la pente est faible à modérée. La couverturevégétale est faible à modérée, essentiellement arbustive. Composition : 0,05 DES1 + 0,30 DES2+ 0,05 ST21 + 0,10 ST3 + 0,05 DEC2 + 0,45 ERO2.

SR "E" : domaine sableux. Des pellicules de dessiccation ou culturales couvrent des solssableux rouges à jaunes. La porosité vésiculaire est peu importante et les éléments grossiers sontabsents. Il n'y a pas de figurés de surface mais un méso-relief important. La couverture végétaleest modérée, principalement herbacée (Zornia, Eragrostis) avec des arbustes aux abords desthalwegs (Guiera senegalensis). La pente est modérée. Composition : 0,50 DES1 + 0,10 DES2 +0,05 ST21 + 0,20 DEC2 + 0,15 ERO2.

SR "F" : milieux dégradés de bas de pente. Des pellicules d'érosion et structurales à deuxmicro-horizons apparaissent sur sols sableux avec ou sans algues. La porosité vésiculaire estmoyenne à forte, les éléments grossiers peu abondants. L'érosion forme des micro-marches, lerainurage est polygonal. La couverture végétale est faible à nulle, constituée d'arbustes et d'herbesannuelles peu denses. L'hydromorphie apparaît à faible profondeur (1m), la pente est faible àmodérée. Composition : 0,05 DES1 + 0,30 DES2 + 0,05 ST21 + 0,15 DEC2 + 0,45 ERO2.

SR "G" : milieux cultivés et jachères de bas de pente. Les sols sont sableux fins, bruns-jaunes-gris, à tendance limoneuse, couverts de pellicules culturales ou de dessiccation à porositévésiculaire faible à modérée. Cette surface est peu colonisée par les micro-algues. Lesperforations de la faune y sont assez fréquentes. Le méso-relief est prononcé et la couverturevégétale est constituée principalement d'herbes annuelles (Shoenefeldia gracilis.). La pente estfaible. Composition : 0,50 DES3 + 0,20 DES4 + 0,20 DEC2 + 0,10 ERO3.

SR "H" : bas-fond dégradé. Des croûtes de ruissellement, de dessiccation ou de décantationapparaissent sur des sols sablo-argileux, souvent colonisées par les feutrages algaires à


Scytonema sp.; l'aspect du sol est compact, sans porosité biologique. La couverture végétale estfaible arbustive et arborée. Composition: 0,10 DES3 + 0,20 DES4 + 0,70 ERO3.

SR "I" : bas-fond hydromorphe peu ou pas cultivé. Des croûtes de décantation, associées à descyanophycées, apparaissent sur des sols argileux. Les perforations animales sont nombreuses etles fentes de retrait forment de larges ouvertures. La couverture végétale est dense, herbacée,arbustive et arborée. La pente y est nulle à très faible. Composition: DEC3.

CARTOGRAPHIE DES ÉTATS DE SURFACE

En première analyse, on remarque sur la figure 1, composition colorée de l'image SPOT du 22juin 1987, la disjonction franche des trois milieux principaux: bas-fond et axes de drainage(surfaces de référence H et G), glacis (surfaces de référence C à F) et surfaces cuirassées ougravillonnaires (surfaces de référence A et B).

Traitement numérique de l'image SPOT

L'image SPOT a été acquise après un total pluviométrique saisonnier de 25 mm, la dernière pluie(5 mm) datant du 16 juin. Les réflectances ont été corrigées des perturbations atmosphériques.Pour le traitement numérique de cette image, nous avons utilisé les trois canaux Spot et l'indice devégétation normalisé (NDVI), combinaison entre les canaux XS2 (rouge) et XS3 (procheinfrarouge). Le recalibrage des histogrammes de chaque bande spectrale selon les fourchettes dutableau 4 permet une visualisation satisfaisante.

Dans les zones à végétation abondante (bas-fond, thalweg), la contribution de l'indice devégétation est forte. Pour le reste de la zone,l'état végétatif des plantes étant très peudéveloppé au mois de juin, l'indice de végétationy est faible et varie peu.

La classification par adaptation dynamiquepermet finalement d'obtenir huit classesradiométriques notées ci-après par les lettresgrecques α à η.

Caractérisation thématique des classesradiométriques

Le report des 75 sites d'observations au sol sur l'image satellitaire permet d'établir un tableau decorrespondance entre les classes radiométriques et les surfaces de référence (tableau 5). A lalecture de ce tableau, il apparaît nettement une bonne identification entre classes radiométriqueset surfaces de référence pour :

• la classe α et les milieux cuirassés (α, A),• la classe χ et les milieux sains de haut de pente (χ, B),• la classe δ et les milieux sableux sains (δ, E),• la classe η et le bas-fond à végétation dense (η, I).

TABLEAU 5Correspondance entre classes radiométriques et surfaces de référence

TABLEAU 4Fourchettes de calibrage des bandesspectrales

Canauxet pseudo-canaux Valeur

minimaleValeur

maximale

P.I.R. (XS3) 115 160

Rouge (XS2) 60 115

Vert (XS1) 60 110

NDVI 134 170


Surfaces de Classes radiométriques Sommes

référence αα ββ χχ δδ εε φφ γγ ηη des sites

A 9 1 1 11

B 1 5 12

C 2 2 2 6

D 1 6 1 8

E 2 10 3 3 1 19

F 8 8

G 7 7

H 3 3

I 1 2 4 7

Canaux Valeurs moyennes et fourchettes de réflectance des canaux SPOT

XS 1 51-85 80-85 82 83 90-110 100-120 77 64-85

XS 2 51-95 95-135 82 83 90-115 98-130 81 57-80

XS 3 94-135 115 125 148 130-150 144-166 - 123-153

La classe ε paraît bien identifiée (75 %) à l'aide des deux surfaces de référence D et Fcorrespondant aux milieux sableux dégradés.

La classe φ est un mélange des surfaces de référence E (30 %) et G (70 %) qui correspondentà des sols sableux à sablo-limoneux peu dégradés.

Les classes β (sols gravillonnaires) et γ (couvert ligneux assez dense et milieux dégradés) sontcomposées d'un mélange de quatre à cinq surfaces de référence différentes.

A partir du tableau 5 il est ensuite possible de caractériser le fonctionnement hydro-pluviométrique de chaque classe radiométrique en tenant compte de sa composition en surfaces deréférence et de la composition de ces dernières en types de surfaces élémentaires. A chaquesurface élémentaire il est en effet possible d’associer une relation hydro-pluviométrique, extraitedu catalogue des états de surface de la zone sahélienne (Casenave et Valentin, 1989) ou tirée desexpériences de simulation de pluie réalisées dans la région de Bidi (Lamachère 1991 ; Guillet1991).

Cartographie des zones cultivées et anthropisées

Sur le petit bassin de Samniwéogo, et plus généralement dans la région de Bidi, les cultures sontpratiquées sur les sols sableux et dans les bas-fonds.

A partir d'images satellite ou de photographies aériennes de saison sèche, il est difficile, sinonimpossible, de distinguer les champs cultivés des jachères et des sols nus qui les entourent. Il fautpouvoir disposer d'images satellite prises après les sarclages pour espérer réaliser, avec quelqueschances de succès, une cartographie des ces zones.


FIGURE 2Etats de surface (1987-1991) : bassin versant de Samniwéogo (Bidi)


Nous avons donc opté, sur le petit bassin de Samniwéogo, pour une cartographie des zonescultivées à partir d'agrandissements de photographies aériennes en effectuant de nombreux levésde terrain, ce qui nous a permis de caractériser cas par cas le type de culture et l’état de surfacedu sol.

L'association de la carte issue du traitement numérique de l'image satellitaire et de la carte deszones cultivées pour l'année 1987 permet de dresser une carte des états de surface du bassinversant de Samniwéogo utilisable pour une modélisation hydrologique. Cette carte est présentée àla figure 2.

CONCLUSION

A partir d'une description très précise de la surface du sol sur un nombre limité de sites ponctuels(75 sur le bassin de Samniwéogo), il est possible, après codification des descriptions, de réaliserune typologie fondée sur une méthode statistique de tri définissant un nombre restreint de surfacesde référence, qui peuvent être caractérisées dans leur comportement hydrologique en introduisantdans les descriptions la nomenclature des surfaces élémentaires proposée en zone sahélienne parCasenave et Valentin (1989).

En zone sahélienne, le traitement numérique d'une image SPOT et l'analyse descorrespondances entre les classes radiométriques, issues du traitement des images, et les surfacesde référence, issues du traitement statistique des observations au sol, montrent une adéquationintéressante entre les deux types de classification. Certaines confusions sont néanmoinsinévitables et il faudrait faire appel au traitement multidate des images satellite pour les réduireou les éliminer.

De même, il n'a pas été possible de cartographier directement les zones cultivées sur l'imageSPOT du 22 juin 1987 ou sur les photographies aériennes. Seuls les levés de terrain ont permisde résoudre ce problème délicat. En zone sahélienne, les zones cultivées ne semblent pasidentifiables en début de saison des pluies, car la végétation herbacée commence à peine à sedévelopper sur les jachères (Serpantié et al. 1989) et les activités culturales ne modifient pas laréflectance des sols sableux. L'identification des surfaces cultivées et l'analyse de l'accroissementdu couvert végétal sont envisageables sur des images satellite prises entre le début du mois d'aoûtet la mi-octobre.

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Hydrological analysis of two sub-catchments of the Mareb River (Eritrea)

ABSTRACT

The aim of the present study is the evaluation of surface water resources in Eritrea, bymeans of remotely sensed data. The study area consists of two sub-catchments of theMareb river, Shiketi and Emni-Tzellim, situated on the Eritrean highland. These havedifferent morphological and land cover features, while they can be considered quitehomogenous from a climatological point of view. They are both closed off by an earthdam, built for irrigation purposes.

A simple model, proposed by the United States Soil Conservation Service (US-SCS), hasbeen utilized to estimate watershed runoff volume. The appropriate Runoff Curve Numberhas been attributed using, for some factors, remotely sensed data together with"conventional" data. The annual water budget for the two reservoirs has been calculated bytaking into account the water inflow, measured by the watershed runoff volume, and thelosses, due to evaporation and infiltration. The results have been compared withsedimentation rates of the two reservoirs and with water requirements for irrigation.

RÉSUMÉ

Le but du présent travail a été l’évaluation des ressources hydriques superficielles, avecl’aide de la télédétection, de deux bassins versants du fleuve Mareb dans les hautes plainesde l’Erythrée : les bassins de Shiketi et d’Emni-Tzellim. Ces deux bassins se différencientpar la géomorphologie et par la couverture de leurs sols mais présentent des similaritésclimatiques. Ils sont fermés en aval par deux barrages.

Un modèle, proposé par le Service de la conservation des sols des Etats-Unis (US-SCS), aété utilisé pour estimer l’écoulement annuel des deux bassins versants. Pour certainesunités de paysage, le numéro des courbes de ruissellement (Runoff Curve Number) a étédéterminé en utilisant la télédétection. Pour d’autres unités, la méthodologie“traditionnelle” du Département de l’agriculture des Etats-Unis (US-DA) a été conservée.Les apports annuels dans les deux barrages ont ainsi pu être calculés. Les résultats de cetteestimation ont été comparés avec la capacité des réservoirs en tenant compte de leur tauxde sédimentation. De plus, la prise en compte des besoins en eau d’irrigation a permis defixer la superficie actuellement irrigable.

Roberto Colombo and P. SarfattiIstituto Agronomico per l’Oltremare, Firenze, Italy

Session 3 : Hydrological analysis of two sub-catchments of the Mareb River (Eritrea)252

INTRODUCTION

In order to allow an expansion of irrigation in the highlands, a programme of small damsconstruction has been undertaken in the past ten years. At the time of dams construction,estimates of catchment yield was not possible and the optimum reservoir capacity could not bedetermined (FAO, 1994), because of information about water resources, which is a mainconstraint for planning agricultural development in Eritrea. This has resulted, in some cases, inrapid sedimentation of the reservoir where the catchment was too large for the dam, or in thereservoir not filling during the rainy season if the catchment was too small.

Surface runoff depends on a great number of factors, such as rainfall characteristics,watershed morphometric characteristics, soil physical characteristics (depth, texture, structure,hydraulic conductivity), land cover, land use, and soil moisture conditions prior to rainfall events.There are many well known methods for predicting surface runoff either from empirical formulasor from deterministic models (Hudson, 1971).

In this work the Curve Number method of the US-SCS has been utilized in two differentwatersheds in Eritrea, testing the potential contribution of satellite data (SPOT XS Nov. 1993and Landsat TM Nov. 1987) and aerial photos (1:50 000, Nov. 1964) to runoff estimation.

The study area is part of a larger area which had been previously surveyed and mapped withan integrated approach, describing in detail climate, geology, geomorphology, soils and landcover (Ongaro and Sarfatti, 1995). Remotely sensed data have been used to estimate biomass(Viti et al.; 1995) and to calculate soil erosion (Colombo et al., 1995).

FIGURE 1Study area


STUDY AREA

The study area is composed of two sub-catchments of the Mareb river, situated on the Eritreanhighland: Shiketi and Emni-Tzellim (figure 1).

Climate and Land Cover

The two watersheds have almost the same climate. Asmara (2360 m asl) is the nearestclimatological station, located about 30 km north of the study area. Mean annual temperature is16.3 °C and annual potential evapotranspiration is 770 mm. Mean annual rainfall is 541 mm.There are two rainy seasons and a long dry season. The so-called small-rains (113 mm) fallbetween April and June; the so-called great-rains (381 mm) from July to the beginning ofSeptember; during Fall and Winter there is a long period with very scarce rainfall (47 mm).

Land cover is extremely variable due to differences in morphology and land use. Naturalvegetation is mainly an open formation of shrubs and small trees of Acacia etbaica, utilized forgrazing and for fuelwood collection. Percentage of vegetation cover is very poor, ranging from 5to 30%. Main crops are wheat, barley, teff, maize, sorghum cultivated with traditional low inputstechniques (animal traction). Irrigated agriculture (mainly horticultural crops) is confined to smallareas. Most of the Shiketi catchment is covered by natural vegetation, while in the Emni-Tzellimcatchment arable land is about 70% of the surface.

Both sub-catchments are affected by severe erosion (Colombo et al., 1995).

Geomorphology and Soils of the Shiketi catchment

The catchment area is delimited between the coordinates of 15°12'04'' and 15°10'10'' latitude, andof 38°50'43'' and 38°51'45'' longitude, covering approximately 585 ha. Elevation is between 2050and 2300 m asl. Some morphometric parameters are in Table 1.

TABLE 1Some morphometric parameters of the two sub-catchments.

Parameters SHIKETI EMNI-TZELLIMBasin area (he) 585 1172Basin order (Strahler's system) 5 5Drainage pattern dendritic subdendriticDrainage density (km/km2) 4.8 4.8Bifurcation ratio 3.9 3.5Relief ratio 0.059 0.025Gravelius Index 1.2 1.7Concentration Time (min) 55 130

The Shiketi catchment includes Late Proterozoic rocks and Cainozoic volcanic products,separated by a lateritic formations. The catchment is mainly represented by units of denudationaland structural origin with steep to very steep rolling to hilly topography. Rock falls, debris slides,and gullies are the main active processes. Structural terraces in lateritic formation reproduce theoldest peneplain. Valley bottom is characterized by alluvial terraces buried under a variable thickof colluvial sediments.

On the volcanic plateau, on colluvial areas and on laterite there are shallow soils, verygravelly loam to very gravelly sand, well to excessively drained (Leptosols). On volcanic slopesand escarpments there are moderately deep to deep soils, very gravelly loam to very gravelly


sand, well drained (Regosols). On alluvial terraces and fans there are moderately deep to verydeep soils, gravelly sand to gravelly loam, well to somewhat excessively drained (Fluvisols). Oncradle valleys there are deep black soils, clayey, moderately well to poorly drained (Vertisols).On the alluvial plain there are moderately deep soils, gravelly clay to gravelly loam, well topoorly drained (Cambisols in association with Fluvisols and Leptosols).

Geomorphology and Soils of the Emni-Tzellim catchment

The catchment area is delimited between the coordinates of 15°02'58'' and 15°01'01'' latitude ,and of 38° 42' 47'' and 38° 47’ 06'' longitude, covering approximately an area of 1172 ha.Elevation is between 2 000 and 2 550 m asl. Some morphometric parameters are in Table 1.

The Emni-Tzellim catchment includes Cainozoic volcanic products and a thick sequence ofwelded pyroclastic flows with interbedded lava flow. The catchment is represented by units ofvolcanic denudational origin, with steep terrain, and by units of alluvial-colluvial origin withrelatively flat to gently sloping topography. Rock falls, gullies, sheets and rills erosion are themain active processes. Accumulation glacis are originated above structural volcanic terraces. Theold sheetflood plain is buried under the dissected accumulation glacis and residual alluvialterraces, remnant of an older fluvial landscape, outcrop in the Tzellim plain.

On volcanic escarpments there are shallow to very shallow soils, very gravelly loam to verygravelly sand, well drained (Leptosols in association with Regosols). On volcanic slopes andfootslopes there are moderately deep to deep soils, very gravelly loam, well drained (Regosols).On footslopes there are deep soils, loam to sand, well drained (Fluvisols). On older alluvialterraces and on sheetflood areas there are moderately deep to deep soils, gravelly clay to clay,poorly drained (Vertisols). Distributed over the whole area there are moderately deep to deepsoils, gravelly loam, moderately to poorly drained (Cambisols).

RUNOFF ESTIMATION

The Soil Conservation Service (SCS) method (US Dept., 1985) has been used to predict the totalvolume of runoff that may come from a watershed during a design flood (25-year return period)and to predict the total annual runoff volume for daily rainfall, during a period of 28 years.

The SCS Runoff Curve Number (CN) is an empirical description for infiltration and rainfallexcess. The SCS runoff equation is:

QP I

P I S

a

a= −

− +( )

( )

2

[1]

where Q = runoff (mm); P = rainfall (mm); Ia = initial abstraction (mm); S = potential maximumretention after runoff begins (mm).

By removing Ia as an independent parameter:

Ia S= ×0 2. [2]

runoff is:

QP S

P S= − ×

+ ×( . )

( . )

0 2

08

2

[3]


The parameter S is related to soil and cover conditions of the watershed through the CurveNumber:

SCN

= −25400254 [4]

where CN = Curve Number

Runoff volume of the catchment has been calculated using the following formula:

Qv Q A= × ×10 [5]

where Qv = runoff volume (m3); Q = runoff depth (mm); A = catchment area (ha)

The SCS-CN method has been applied to estimate daily and yearly surface runoff volume.

Remote sensing data (aerial photographs and satellite data) have been used, in conjunctionwith other types of data (field data, laboratory analysis, bibliography) to estimate the CurveNumbers.

Determination of Runoff Curve Number

The Shiketi and the Emni Tzellim sub-catchments have been classified into homogeneous portionsof land (land units) by satellite image processing and analysis and aerial photographsinterpretation (Table 3).

To select the appropriate CN the following factors have been considered: cover type,hydrologic condition, hydrologic soil group, impervious area.

Cover type and hydrologic condition

As in other applications of the SCS-CN in developing countries (Purwanto and Donker, 1991),also in this case it was difficult to determine the correspondence between land cover types andCN, since the original method is based on land cover types common in North America. Adaptingthe original tables to local conditions four main categories of land cover have been taken intoconsideration (Table 2).

TABLE 2Runoff curve number for main hydrological soil cover-complexes of the study area (for AMC II)

Cover type Hydrologiccondition

Curve Number (CN) forhydrologic soil group

A B C D

1 Degraded areas (veg. cover < 5%) Poor 77 86 91 94

2 Open shrubland (mainly Acacia etbaica) Poor 68 79 86 89

3 Irrigated agriculture (furrow irrigation) Poor 72 81 88 91

4 Rainfed agriculture (teff, barley, wheat, sorghum) 65 76 84 88

Hydrologic condition indicates the effects of cover type and treatment on infiltration andrunoff and is generally estimated from density of plant and residue cover on sample area. The


TABLE 3Runoff curve number (CN) of land units

SHIKETI EMNI-TZELLIM

Land Unit CN Land Unit CN

1 Alluvial Terraces 77 1 Alluvial plain 88

2 Cradle Valley 88 2 Alluvial Terraces 88

3 Alluvial fan 68 3 Lower Accumulation Glacis 76

4 Basement footslope 86 4 Higher Accumulation Glacis 76

5 Volcanic footslope 91 5 Sheetflood Plain 88

6 Volcanic Plateau 75 6 Cradle Valley 88

7 Plateau Escarpment 86 7 Structural Volcanic Escarpment 84

8 Volcanic high hills 82 8 Volcanic Ridge 90

9 Volcanic low hills 82 9 Structural Terraces on Slope 76

10 Surface of plantation in Laterite 96 10 Dissected Accumulation Glacis 84

11 Laterite Structural terraces 96

12 Basement Escarpment 84

average percentage of vegetation cover has been estimated for each land unit using SPOTVegetation Index (VI):

VIB

B= 2

3[6]

where VI = SPOT Vegetation Index; B2 = SPOT Band 2; B3 = SPOT Band 3

The relationship between SPOT Vegetation Index and percentage of cover has beencalculated in a preceding work (Viti et al., 1995):

C VI= × −561289 50879. . [7]

where C = Cover (%) and VI = SPOT Vegetation Index

The cover percentage estimated for each land unit, was less than 50%, corresponding to poorhydrologic condition (Table 2); also irrigated areas have been considered with poor hydrologiccondition since these are very small plots mixed with other types of land use (fallow, rainfedagriculture).

Hydrologic soil group

Hydrologic soil group depends on soil physical characteristics such as soil texture, soil structure,hydraulic saturated conductivity, soil depth and sealing susceptibility (US Dept., 1993). For eachland unit, it has been possible to assign the appropriate hydrologic soil group by using, inconjunction, field data and laboratory analysis, following the US-SCS guidelines.

Soil structure and soil depth have been estimated during field survey; soil texture wasdetermined by laboratory analysis; hydraulic conductivity was determined by bibliographic tablesrelating soil structure with soil texture (Landon, 1984); sealing susceptibility was calculatedusing the following formula (FAO/UNEP/UNESCO, 1980):

SsSf Sc

Cl OM= × + ×

+ ×15 0 75

10

. .[8]

where Ss = Sealing susceptibility; Sf = Percentage of fine silt; Sc = Percentage of coarse silt; Cl =Percentage of clay; OM = Organic matter (%)


By using Table 2 it has been possible to evaluate the CN for the assigned hydrological soilgroup.

Impervious area

Rockiness has been considered as connected impervious area. Percentage of rock outcrops hasbeen estimated in the field for each land unit. For some land units, such as laterite terraces andvolcanic hills, CN values have been corrected in relation of the percentage of impervious areausing adjustments graphics (US Dept., 1986).

Finally, Curve Numbers of each land unit have been estimated (Table 3).

DAILY RUNOFF

The following factors have been considered in order to predict the volume of runoff for themaximum 24-hours rainfall with 25-years return period: daily rainfall, Curve Number andAntecedent Moisture Condition.

Mean duration of a storm is four hours and maximum duration is about seven hours(Griffiths, 1972); July and August daily rainfall distribution is mostly concentrated in a rangebetween 5 to 10 mm. Rainfall intensity has been estimated by the formula of Fletcher (1950):rainfall intensity for 1 hour interval is 27 mm/h. The following formula (Gumbel, 1954) has beenused to estimate the return period of the maximum 24-hours precipitation:

TN

m= +1

[9]

where T = return period in years; N = total number of statistical events; m = rank of eventsarranged in descending order of magnitude.

Using daily rainfall data of 28 years (Fantoli, 1966), the annual maximum precipitation witha 25-years return period is 102 mm, and it has been used as P in [3].

The Runoff Curve Number has been calculated for each land unit, assuming the type II ofAntecedent soil Moisture Condition (AMC II). The CN adjustments table has been used in orderto adjust the CN for wet (AMC III) and dry (AMC I) soils (Wanielista M. P.,1990).

Watershed CN (Table 4) has been obtained weighting CN values of each land unit (Table 3),in function of their specific area.

TABLE 4Curve Number (CN), Storage at saturation (S), Initial abstraction (Ia), Runoff (Q) and RunoffVolume (Qv) obtained with a rain of 102 mm/24 h (AMC II & III)

Catchment CN S (mm) Ia (mm) Q (mm) Qv (m3)AMC II AMC III AMC II AMC III AMC II AMC III AMC II AMC III AMC II AMC III

Shiketi 82 92 56 22 11 4.4 56 80 327600 468000Emni-Tzellim 81 91 59 25 12 5 54 77 632880 902440

ANNUAL RUNOFF

When surface runoff is to be stored in reservoirs, the total runoff volume for a period of severalmonths, usually the annual volume, is of more interest than the runoff for a design storm.


For each month the average Antecedent Moisture Condition (AMC) has been calculated,obtaining: October to June type I; July and September type II; August, type III. The CN valueshave been consequently corrected in relation with the monthly AMC, before calculating the dailyrunoff. The annual runoff volume has been obtained adding daily runoff, obtained by equation[3], of each month of the year. Annual runoff volume has been calculated for a period of 28years, using equation [5]. Mean, maximum, minimum and 75% probability of water volumeinflow into the reservoir have been calculated (Table 5).

TABLE 5Annual volume inflow into the reservoirs.

Annual Volume Inflow (Qv) Unit Shiketi Emni-Tzellim

Initial Reservoir capacity m3 256000 170269

Mean volume inflow m3 557550 939960

Maximum volume inflow m3 1397617 1671806

Minimum volume inflow m3 66416 38998

Volume 75% probability m3 299078 561461

Comparing results of annual runoff estimation with reservoir sizing it comes out that Shiketidam is well dimensioned, while Emni Tzellim reservoir is far behind the potential water storage.A dynamic annual water balance of the reservoirs has been calculated in order to evaluate theeffective water volume available for irrigation.

Sedimentation rate into the two reservoirs (Colombo et al., 1995) has been utilized toestimate their effective volume. Losses due to evaporation and infiltration from the reservoirshave been estimated roughly 10% of the total volume. The irrigable area has been calculatedconsidering an irrigation requirement of 10 000 m3 of water pro hectare (Table 6).

TABLE 6Reservoirs capacity and irrigable areaReservoir Capacity Unit Shiketi Emni-Tzellim

Dam construction year 1983 1987

Initial Reservoir Capacity m3 256 000 170 269

Sedimentation Rate % year 3 11

Actual Capacity m3 156 000 0

Actual Available water volume m3 year 141 000 0

Capacity after 10 years m3 180 000 0

Initial Irrigable Surface he 25 17

Irrigable Surface after 10 years he 18 0

CONCLUSIONS

The SCS-CN method has been applied to estimate daily and yearly surface runoff volume.Remotely sensed data have given a helpful contribution to CN approach (Table 7): land unit maphas been derived from remotely sensed data, hydrologic condition has been obtained by SPOTVegetation Index.


TABLE 7Parameters and methodology considered to compute CN

SCS-CN Factors Parameters used for estimation Method

Field

data

Laboratory

analysis

Emp. formula

and bibliog.

Aerial

photos

Satellite

images

Hydrologic Soil Group Soil Texture X X

Soil Structure X

Soil Depth X

Topsoil Sealing susceptibility X X

Soil Hydrolog. conductivity X X X

Cover type Land use and land cover X X X

Management Cultural practices X

Hydrologic condition Vegetation cover X X

AMC Daily rainfall X

Impervious area Rockiness X X

As a confirmation, we have calculated the soil water balance after Thornthwaite (1948),assuming an available water capacity of 100 mm, obtaining a surface runoff of 91 mm/year; thisfigure can be considered in good agreement with data estimated by the SCS-CN method (95mm/year for Shiketi and 84 for Emni-Tzellim). In the present case, the CN method has proved tobe an useful tool for runoff estimation.

A future development is the validation of results with a series of ground measurements. Aftersuch a campaign it will be possible to extend the results to other catchments of the Eritreanhighland and to supply watershed management projects with reliable data.

BIBLIOGRAPHY

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Wanielista, M.P. 1990. Hydrology and Water Quantity Control. John Wiley & Sons, Inc.


Rôle de la télédétection dans l’évaluation etla cartographie des épandages artificiels des

crues dans les hautes steppes tunisiennes

RESUMÉ

L'insuffisance et l'irrégularité des précipitations dans les hautes steppes tunisiennesrendent nécessaire le recours à des apports d'eau supplémentaires dans tout effortd'intensification de l'agriculture.

Les différentes civilisations anciennes ont pratiqué des techniques ingénieuses demobilisation des eaux de ruissellement, parmi lesquelles l'épandage artificiel des crues.Mais, face aux besoins toujours croissants en eau d'irrigation, les agriculteurs des hautessteppes tunisiennes ont eu de plus en plus souvent recours aux eaux des nappesphréatiques, captées par puits de surface équipés de motopompes. Cette "modernisation"de l'agriculture a entraîné un abandon presque total des techniques traditionnelles demobilisation des eaux, transmises et enrichies de génération en génération et bien adaptéesà ce milieu naturel fragile. L'exploitation effrénée de ces nappes a entraîné le rabattementinquiétant de leur niveau piézométrique.

Cette communication tente d'étudier, à partir d'exemples précis, le résultat du retour actuelaux techniques anciennes d'épandage des eaux de crue. Ce retour s’effectue maintenantpar la mise en place d'ouvrages modernes de dérivation qui favorisent l'infiltration deseaux de ruissellement pour augmenter la recharge artificielle des nappes phréatiques.Associée aux enquêtes effectuées sur le terrain, la télédétection permet d'évaluer l’étenduedes épandages artificiels, de la cartographier et de repérer les sites potentiellementfavorables à la mise en place de nouveaux ouvrages.

ABSTRACT

The irregularity and deficit in the rainfall in the High Tunisian Steppes renders irrigationnecessary in any effort towards intensification of agriculture.

Various ancient civilisations applied ingenious techniques for the use of runoff water,among which artificial flood spreading. But, with ever-increasing water requirements forirrigation, the farmers in the High Tunisian Steppes have increasingly turned to usinggroundwater by means of motorpumps in dug wells. This modernization of agriculturehas led to the almost total abandonment of traditional water mobilizing techniques, passedon and enriched from one generation to the next. The unrestrained exploitation of thatgroundwater table has led to a worrying drawdown of its level.

The result of the present return to the old flood spreading techniques is presented in thispaper with specific examples. This return now takes place using modern diversionstructures which favour infiltration of the surface runoff and increase the recharge of thewater table. Remote sensing coupled with ground observations make it possible to evaluatethe areas of artificial spreading, to map them and to pinpoint the sites which are suited tothe construction of the diversion structures.

Abdelkarim Daoud, Faculté des lettres et sciences humaines, Sfax, TunisieJean Trautmann, Université Louis Pasteur, Strasbourg, France

Session 3 : Télédétection et épandages de crues en Tunisie262

INTRODUCTION

Les plaines de Sidi Bouzid et d'Al Hichria appartiennent aux hautes steppes orientalestunisiennes. Les conditions contraignantes du milieu, caractérisées essentiellement par la faiblessedes précipitations et leur irrégularité interannuelle et intersaisonnière, expliquent le recours àl'irrigation comme moyen d'intensifier la production agricole. Dans une première partie, ce travailprésentera les conditions du milieu et fournira un bref aperçu historique de l’irrigation dans ceshautes steppes en analysant l'impact du recours démesuré à l'exploitation des nappes phréatiques.Dans une seconde partie, nous nous intéresserons aux aménagements hydrauliques mis en placepour remédier à la baisse du niveau piézométrique des nappes et provoquer leur recharge parl’épandage artificiel des crues. Enfin, dans une troisième partie, ce travail analysera l'apport de latélédétection dans l'évaluation et la cartographie des épandages artificiels, la recherche denouveaux sites pour de futurs aménagements, afin d'assurer une exploitation rationnelle etjudicieuse des ressources offertes par le milieu naturel.

L'EAU, ENJEU FONDAMENTAL DANS LE DÉVELOPPEMENT DE LA RÉGION

Les contraintes du milieu

Les plaines de Sidi Bouzid et d'Al Hichria forment deux larges cuvettes synclinales entouréesd’axes anticlinaux de faible altitude (figure 1). L'axe Nord-Sud constitue la limite Est de ces deuxplaines. Le Djebel Melloussi-Majoura limite la plaine d'Al Hichria au Sud et le Djebel Al Kebarconstitue sa limite Nord. Celui-ci limite donc la plaine de Sidi Bouzid au Sud, elle-même limitéeau Nord par les hauteurs de Bir al Hafey. Entre les Djebels et les fonds de cuvettes, les glacis,aux sols de texture sablo-limoneuse, ont généralement des pentes faibles. Les hauteurs annuellesdes précipitations sont d'environ 250 mm. L'étude de leur répartition saisonnière montre despointes en automne et au printemps et une sécheresse absolue en été, pouvant parfois se prolongeren automne. Mais la sécheresse estivale peut parfois être brusquement interrompue par des pluiesorageuses, causant des inondations plus ou moins importantes. Ces pluies contribuent à gonfler letotal annuel, sans être pour autant efficaces pour l’infiltration, puisqu’elles peuvent tomber enl'espace de quelques heures. Dans ces conditions, le recours à l'irrigation paraît indispensable.

L'irrigation et les nappes phréatiques

Il ressort de ce qui précède que le milieu présente beaucoup plus de contraintes que d'avantages.Les conditions naturelles contraignantes rendent en effet l'irrigation nécessaire à tout effortd'intensification de la production agricole. Les besoins en produits agricoles régionaux, et surtoutextrarégionaux, des centres urbains littoraux ne peuvent être satisfaits par la simple agriculturepluviale. L'insertion de plus en plus accentuée de la région dans l'économie de marché vaentraîner une intensification progressive de la production et les cultures maraîchères irriguéesvont devenir progressivement la spéculation agricole majeure. Le principal aspect de cetteintensification est l'exploitation des nappes phréatiques par puits de surface. Les conditionsédaphiques des cuvettes de Sidi Bouzid et d'Al Hichria sont favorables à l'emmagasinement del'eau infiltrée, que cette eau provienne des chutes de pluies ou du débordement des oueds à lafaveur des grosses crues.


La nappe phréatique de Sidi Bouzid peut, à juste titre, être considérée comme la plus importantede toute la Tunisie (Koschel et Zarrouk 1976; Daoud et Trautmann 1994). Bien qu'individualiséepar des anticlinaux de faible altitude qui l'entourent, la plaine de Sidi Bouzid couvre unesuperficie de 600 km2 environ. En pente très faible, cette plaine est drainée par l'oued Al Fakka etson principal affluent, l'oued Sarig Adh-Dhiba. La nappe de Sidi Bouzid a des potentialitésannuelles évaluées à 25 millions de m3. De plus, les dépôts du quaternaire, d'une épaisseur de 50mètres dans la partie amont de la plaine, ont permis de constituer une très importante réserved'eau restée longtemps inexploitée.

Quant à la nappe de Horchane-Braga, correspondant à la cuvette d'Al Hichria, elle se trouveau Sud de la première, les lignes de crêtes du Djebel Al Kebar constituant une ligne de partagedes eaux entre les deux bassins versants. Cette nappe est beaucoup moins importante que lapremière, puisque ses possibilités annuelles sont évaluées à environ deux millions de m3

seulement (Gassara 1980). La plaine d'Al Hichria n'est pas drainée par des oueds importants, enrevanche une multitude de petits ruisseaux et de torrents dévalant principalement du flanc Sud-

FIGURE 1Croquis de localisation et topographie du Gouvernorat de Sidi Bouzid (Documents Atlas duGouvernorat de Sidi Bouzid, Direction générale de l’aménagement du territoire, SETA, Tunis, 1992)


FIGURE 2Aménagements hydrauliques du bassin de Sidi Bouzid


Est du Djebel Al Kebar le disséquent fortement. En traversant les piémonts sablo-limoneux defaible pente, leurs lits deviennent relativement larges et faiblement encaissés. Lors des crues quisuivent les averses, même celles de faible intensité, l'oued Oumat Téboul peut arriver jusqu'àGaret-En-Njila (Garaa : niveau de base local dans une dépression, constituant un collecteur deseaux de ruissellement).

Bref aperçu historique sur l'irrigation : d'une exploitation "écologique" à une exploitationminière des ressources en eau

De toutes les transformations profondes subies par le paysage rural de notre zone d'étude depuisquatre décennies environ, l'irrigation par puits de surface peut être considérée comme l’une desplus importantes, en raison des modifications économiques et sociales qu'elle a induites et desdéséquilibres écologiques qu'elle a engendrés.

Tout comme le reste des hautes steppes tunisiennes, les plaines de Sidi Bouzid et d'Al Hichriaont connu l'irrigation depuis bien longtemps. La région de "Gammouda", décrite par beaucoup devoyageurs et chroniqueurs arabes ayant visité la région au Moyen Age, correspond à l'actuellerégion de Sidi Bouzid. D’après ces descriptions, elle aurait possédé des vergers et jardins irrigués,particulièrement de part et d'autre de l'oued Al Fakka (Abdelawahab 1954). Cette irrigation étaitpratiquée à partir des puits de surface, mais surtout à partir de dérivations construites par lespopulations locales, dans le cadre des travaux communautaires exécutés par les différentesfractions de tribus. Ces dérivations consistaient en des élévations de terre, renforcées par desbranchages. Elles étaient mises en place en forme d'arêtes de poisson de chaque côté des bergesde l'oued Al Fakka. Leur rôle était de diriger les eaux des crues vers les champs pour provoquerleur submersion. Quelques jours après l'infiltration des eaux, les populations locales labouraient,semaient et attendaient les nouvelles pluies et les nouvelles crues pour que les épis soient denouveau irrigués. Ces ouvrages de dérivation, appelés localement "M'goud", étaient fragiles, peurésistants aux grandes crues, mais faciles à reconstruire. Au début du siècle, plusieurs "M'goud"étaient aménagés sur l'oued Al Fakka (Penet 1910). Cet auteur n'a pas caché son admiration pources aménagements qu'il décrit de façon précise. Malgré leur simplicité, ils ont permis aux sociétéstraditionnelles qui occupaient cet espace de faire face au manque d'eau et d'utiliser les crues à leurprofit. De plus, ils ne mettaient pas en péril l'équilibre fragile de l'écosystème. Bien au contraire,ces techniques simples mais bien maîtrisées permettaient de le conserver. Si la plaine d'Al Hichrian'a pas connu les mêmes aménagements, on peut toutefois affirmer que l'irrigation y est égalementun usage ancien, particulièrement autour du village de Mlikat. Les vestiges d'un ancien aqueducromain existent encore dans la partie centrale du flanc SE du Djebel Al Kebar.

Si, au début des années soixante, la nappe phréatique de la plaine de Sidi Bouzid était captéepar 300 puits de surface seulement, ayant en totalité un débit fictif continu de 22,2 l/s,aujourd'hui le nombre de puits a dépassé 2 500 et le débit fictif continu y est de 2 000 l/s (Daoudet Trautmann 1994) (figure 2). Dans certains secteurs de la plaine, comme ceux de Zaàfria,Sandoug, Ceddaguia ou Oum Laàdham, la densité dépasse 30 puits/km2. Plus de 90% des puitssont aujourd'hui équipés de motopompes. De même, la plaine d'Al Hichria compte désormais plusde 1 200 puits de surface, dont environ la moitié se trouve sur le piémont Sud-Est du Djebel AlKebar. Ces puits de surface, qui captent la nappe de Horchane-Braga, sont presque tous équipésde motopompes. Le résultat de cette augmentation spectaculaire du nombre de puits de surface aété l’accroissement du volume d'eau pompée. S'il ne dépassait pas un million de m3 par an pour lanappe de Sidi Bouzid au début des années soixante, il est estimé aujourd'hui à plus de 54 millionsde m3. Et compte tenu du fait que la nappe a des possibilités de 25 millions de m3 par an, on peuten déduire que le taux de surexploitation dépasse 100 %. Le phénomène de surexploitation de la


nappe phréatique de Horchane-Braga, dans l'état actuel de nos connaissances, ne peut pas êtreévalué correctement mais dépasse largement, selon les services régionaux de l'agriculture, le tauxde 100 %. Ainsi, le niveau piézométrique des nappes a sensiblement baissé, si bien que lesirrigants sont obligés aujourd'hui de creuser une sonde au fond du puits et de l'approfondirtoujours davantage pour réussir à capter l'eau. Dans la plaine de Sidi Bouzid, le rabattement aatteint par endroits plusieurs mètres, entraînant l'intrusion d'eau salée provenant de la bordure dela nappe.

LES ÉPANDAGES ARTIFICIELS DES EAUX DES CRUES : SOLUTION POSSIBLE AU PROBLÈME

DU DÉFICIT HYDRIQUE

Limites des mesures coercitives

Les premières mesures prises par l'administration de l'agriculture pour faire face aux problèmesposés par l'exploitation excessive des nappes phréatiques furent coercitives. En effet, dès la findes années soixante-dix, une série de mesures administratives furent prises, comme la créationd'un "périmètre de sauvegarde" englobant la quasi-totalité de la plaine de Sidi Bouzid. Lasauvegarde envisagée consistait dans l'obligation d'obtenir l'autorisation préalable du Ministère del'agriculture pour toute opération de forage ou d'équipement d'un puits de surface. De plus, un"périmètre d'interdiction" fut également institué. Ce périmètre délimite les zones de la plaine où lerabattement est le plus spectaculaire et où l'intrusion d'eau salée est la plus inquiétante. Lesrésultats de ces mesures furent limités. Le creusement et l'équipement clandestins des puits sesont poursuivis parce que les irrigants ont toujours manifesté une volonté d'accroître leurssuperficies irriguées. Dans le cadre d'une économie de marché, et compte tenu desinvestissements consentis par les irrigants, il est clair que ce ne sont pas les paramètres del'écologie qui valent et guident leur choix. Nos enquêtes sur le terrain (Daoud 1987) ont montréque, si le premier investissement de l'épargne de l'irrigant allait vers la construction en dur, lesecond allait, dans la plupart des cas, au creusement d'un deuxième puits, surtout si le premierétait exploité en commun avec des frères ou dans le cadre du clan. L'individualisme prend en effetle pas dans ce domaine sur l'esprit communautaire et sur les survivances de la sociétésegmentaire.

Les épandages artificiels des crues : une technique ancienne longtemps oubliée ou délaissée

Le passage d'une société tribale à une société paysanne (Attia 1977), accompagnant les profondestransformations économiques connues par toute la région, a entraîné l'abandon presque total despratiques communautaires de gestion des crues. La petite hydraulique traditionnelle, basée sur lespetits ouvrages de dérivation, a été progressivement délaissée pour céder la place aux solutions"techniques" et "modernes" : puits de surface équipés en groupes motopompes électriques oudiesel. Le pompage de l'eau à partir d'un puits de surface peut durer jusqu'à 14 heures par jouravec un débit de 1,5 à 2 litres/s. C'est donc d'une véritable hémorragie qu'il s'agit, d'autant plusqu'une frénésie s'empara des agriculteurs pour le forage des puits, surtout au milieu des années70, au moment où le système de crédit offrait pour cela beaucoup de facilités et où l'États'engageait à fond dans ce choix. Les réserves en eau des nappes phréatiques, constituéesprogressivement à l’ère quaternaire, vont être alors largement entamées. Outre l'irrigation parsubmersion, les ouvrages traditionnels d'épandage artificiel des crues favorisaient l'infiltrationaux dépens du ruissellement et permettaient ainsi une recharge artificielle des nappes. L'absenceou l'abandon des ouvrages de dérivation en amont ont entraîné le déversement de quantitéssubstantielles d'eau des crues en aval, dans les fonds de cuvettes plus ou moins salées (Sebkahat


Al Akrech et Naggadha pour le cas de l'oued Al Fakka ; Sebkahat An Njila par le cas de la plained'Al Hichria). Pour la plaine de Sidi Bouzid par exemple, la quantité d'eau écoulée par l'oued AlFakka et qui ne fait que transiter par la plaine pour se déverser dans les sebkhat ou dans l'ouedNaggadha est estimée à 17 millions de m3 d'eau. (Koschel et Zarrouk 1976). Il est donc clair quel'épandage artificiel est un moyen efficace pour favoriser l'infiltration et la recharge des nappes.

Localisation spatiale des principaux ouvrages modernes d'épandage des crues

Ces ouvrages sont situés principalement dans la plaine de Sidi Bouzid sur l'oued Al Fakka. Lesouvrages de Nouael, à l'intersection de la route Tunis-Gafsa avec l'oued Al Fakka, et ceux deZaafria, un peu en amont du village du même nom, constituent un bon exemple de la possibilitéde remettre aujourd'hui en valeur, mais par des procédés nouveaux, les techniques anciennesd'épandage (Daoud et Trautmann 1994). Des ouvrages de dérivation, construits en béton, peuvententraîner un épandage efficace des eaux des crues, irrigant ainsi des superficies considérables, etprovoquant la recharge de la nappe en évitant l'écoulement des eaux vers l'aval. Les ouvrages deNouael et Zâafria sont prolongés par des canaux secondaires et tertiaires devant jouer le rôle desanciens "Mgouds" et provoquer l'épandage artificiel des crues.

LA CARTOGRAPHIE DES ÉPANDAGES ARTIFICIELS

Le problème méthodologique

Il est évident que les ouvrages modernes d'épandage ont contribué à accroître les superficiesirriguées utilisées principalement pour les cultures de céréales ou de fourrages, intercalées parfoisavec des plantations d'oliviers. Ils ont également favorisé l'infiltration des eaux des crues,entraînant par là même la recharge des nappes. Mais la question reste de savoir quel est le volumede cette recharge artificielle et quel est l'impact spatial des épandages réalisés. S'il est difficileactuellement de quantifier avec précision le volume d'eau gagné par la nappe, grâce à cetterecharge artificielle, il est toutefois certain qu'après chaque crue les irrigants remarquent uneremontée du niveau piézométrique. A la remontée du niveau de la nappe s'ajoute l'amélioration dela qualité chimique de l'eau. L'apport de la télédétection est considérable dans la cartographie deszones irriguées par épandage artificiel et dans la reconnaissance des sites pouvant accueillir denouveaux ouvrages d'épandage.

Apport de la télédétection : exemple des plaines d'épandage de l'oued El Fekka et d'AlHichria

Cet apport peut être appréhendé à partir de deux scènes SPOT (scènes SPOT XS K64 J280) surla région de Sidi Bouzid. La première, datant du 26 juin 1988, caractérise une période desécheresse (figure 3). La seconde, datant du 3 février 1990, a été prise deux semaines après lespluies exceptionnelles qui se sont abattues sur la région le 20 janvier 1990 (figure 4).


FIGURE 3Situation en période de sécheresse de Garet An Djila et de la plaine de Al Highriyya. Image SPOTdu 26 juin.1988 (extrait). KJ 064-280. (Document CNES/Spot Image 1988. Traitements CNT Tunis,1995)


FIGURE 4Image SPOT du 3 février 1990. KJ 064-280. Composition colorée XS 1,2,3. (1) Sidi Bouzid. (2)Oued Al Fakka. (3) zone d’épandage de crue de l’Oued Al Fakka. (4) Djebel Al kbar. (5) Djebel ArRakhmat. (6) Djebel Al Hfay. (7) Djebel Al Malousi. (8) Garat An Njila. (9) Al Hishriyya. (DocumentCNES/Spot Image 1990. Traitement SERTIT Strasbourg, 1994)


FIGURE 5Situation en période humide de Garet An Djila et de la plaine de Al Hishriyya. Image SPOT du 3février 1990 (extrait). KJ 064-280. (Document CNES/Spot Image 1990. Traitements SERTITStrasbourg, 1994)


En ce qui concerne la plaine d'épandage de l'oued Al Fakka, l'analyse comparée des deuxscènes permet de voir l'étendue spatiale des inondations qui ont suivi les pluies du 20 janvier1990. Tous les ouvrages d'épandage de Nouael, de Zâafria, ainsi que ceux situés plus en amont,ont bien fonctionné. La figure 2 montre les zones particulièrement inondées par ces épandagessurtout autour du petit village de Zâafria sur la rive gauche de l'oued Al Fakka, et sur le territoiredes Nouael et des Horchane dans la zone d'Al Mzâra, sur la rive droite.

Plus en aval, l'image satellite permet de découvrir un phénomène de "capture" qui s'estproduit entre l'ouvrage de dérivation de Zâafria rive gauche et l'oued Sârig Adh-Dhiba. Cet oued,qui descend du piémont nord du Djebel Al Kebar, a charrié des débits considérables à la suite despluies, comme en témoignent l'élargissement spectaculaire de son lit, et les dégâts causés à laroute reliant Sidi Bouzid à Bir El Hafay, totalement emportée sur une longueur d'environ 100mètres. Outre son propre débit, cette capture l'a enrichi des apports d'eau supplémentaires venantde la dérivation des eaux de l'oued Al Fakka. C'est à notre avis la raison des dégâts causés auxcultures et aux habitations dans la zone d'Al Gdàra et d'An-Nsayriyya. La dérivation de Zâafriarive droite a joué le rôle d’un véritable oued après les pluies de janvier 1990. Il serait alorssouhaitable, pour éviter que cette situation ne se répète, de mettre en place des canaux tertiaires,branchés sur les canaux secondaires de la dérivation.

Concernant la plaine d'Al Hichria, l'image SPOT du 3 février 1990 a révélé l'étendueimpressionnante du plan d'eau dans la Garèt An-Njila (figure 5). En dehors des courtes périodesqui suivent les pluies, ce fond de cuvette est généralement à sec, comme le révèle la scène du 26juin 1988. Les traces des écoulements qui ont suivi les pluies de janvier 1990 sont encore visiblessur la scène du 3 février 1990 : l'oued Oum at-Téboul, qui descend du flanc SE du Djebel AlKebar, a un tracé bien individualisé sur cette scène qui montre clairement que cet oued s'estdéversé dans la Garaà. Mais cette scène révèle également des traces d'importants écoulementsayant rejoint la Garaà par son extrémité NE, avec des méandres bien dessinés et de petits plansd'eau encore apparents, plus de dix jours après les pluies. Ce lit d'oued n'existe pas sur la cartetopographique au 1/50 000 de la région (feuille NI-32-XVI-4c Jbal Bou-Dinar). Il nous semble,d'après la comparaison de la carte topographique et de la scène SPOT, que ces écoulements sontnés de la jonction de deux petits oueds : l'oued Nasir et l'oued Ahmed qui descendent du Djebel AlKebar, entre les villages d'El Mlikat et d'Awlad Amor, et qui coulent ensuite vers le SO pourrejoindre Garaàt An-Njila.

Ils traversent donc en diagonale tout le piémont du Djebel Al-Kebar, à travers les plantationsd'oliviers, sur sols sableux ou sablo-limoneux (figure 6).

Il nous semble donc judicieux de prévoir, dans l'aménagement futur des piémonts, la mise enplace d'ouvrages de dérivation des eaux de crues dans les parties amont des oueds Oum at-Téboul, Nasir et Ahamed, ouvrages dimensionnés de manière à permettre un épandage efficacedes eaux qui puisse éviter leur écoulement vers la Garàa et favoriser ainsi la recharge de la nappephréatique (figure 6).

D'après les calculs effectués à partir de la scène du 3 février 1990, l'étendue du plan d'eaudans la Garat An-Njila avait une superficie de 1 550 hectares. De plus, nous avons pu découvrir,d'après nos enquêtes sur le terrain, que l'épaisseur de la lame d'eau approchait parfois le mètre.Ce volume d'eau, livré à l'évaporation, pourrait être, par ces aménagements, en grande partierécupéré pour une meilleure utilisation, d'autant plus que les populations locales, particulièrementles Azara et les Aouafi, ont clairement manifesté leur intention d’étendre leurs superficiesirriguées par puits de surface. Ainsi, outre leurs parcelles irriguées dans leurs territoires, ilsexploitent des terres en métayage ou en location situées beaucoup plus en aval, près de la Garat


FIGURE 6Aménagements hydro-agricoles du piémont SE du Djebel Al Kbar (Hautes steppes tunisiennes)


An-Njila. Ces terres sont irriguées à partir de puits de surface possédés par les métayers ou leslocataires à 3 ou 4 km plus en amont, étant donné que la qualité chimique de l'eau disponiblelocalement sur les exploitations en aval est de moindre qualité (eau plus salée). L'eau est conduitedu puits amont vers les parcelles par des tubes PVC de 7 cm de diamètre. Ceci entraîne unsurcoût très important pour les irrigants.

CONCLUSION

L'exploitation des nappes phréatiques des plaines de Sidi Bouzid et d'Al Hichria répond beaucoupplus aux critères économiques (satisfaire la demande régionale et extra-régionale en produitsmaraîchers) qu'aux paramètres écologiques de préservation et de gestion des ressources offertespar le milieu naturel. Pour que cette région continue à être un des principaux pourvoyeurs dupays en produits maraîchers et que les irrigants améliorent leurs conditions de vie, les culturesirriguées doivent encore s’y développer afin de relever le double défi de l'emploi dans lescampagnes et de la sécurité alimentaire. Pour cela, l'aménagement hydraulique par la réalisationd’ouvrages de dérivation du cours des oueds tient compte à la fois des impératifs de sauvegardedes ressources en eaux souterraines et de réhabilitation des aires dégradées. Pour réaliser cesouvrages et évaluer leur impact, la télédétection constitue un outil particulièrement efficace,surtout si elle peut être utilisée après les périodes de fortes crues. Cependant l'aménagement nepeut garantir le développement durable des populations rurales que s'il tient compte de tout unsystème dans lequel s'imbriquent les facteurs physiques, socio-économiques et politiques.

Remerciements

Les auteurs remercient le Centre National de Télédétection de Tunis et le SERTIT de Strasbourg pourl'aide apportée dans le traitement des scènes SPOT.

BIBLIOGRAPHIE

Abdelwahab, H.H. 1954. Les steppes tunisiennes (région de Gammouda) pendant le moyen-âge. InCahiers de Tunisie n°5. 16 p.

Attia, H. 1977. Les hautes steppes tunisiennes. De la société pastorale à la société paysanne. Thèsed’Etat. 700 p.

Daoud, A. 1987. L’hydraulique dans la plaine de Sidi Bouzid. Faculté des Lettres et Sciences humainesde Sfax, Département de Géographie, Tunisie.

Daoud, A. 1995. Les périmètres publics irrigués de la région de Sidi Bouzid (hautes steppestunisiennes). Politiques de l’Etat et stratégies paysannes. Colloque de l’Institut de recherche sur leMaghreb contemporain (IRMC).

Daoud, A. et Trautmann, J. 1994. Les aménagements hydrauliques en milieu semi-aride. Exemple dela plaine de Sidi Bouzid (hautes steppes tunisiennes). In Développement et environnement auMaghreb. Colloque de la Faculté des lettres de Sfax, avril 1994.

Gassara, A. 1980. Contribution à l’étude hydrogéologique du bassin de Horchane-Braga (Sidi Bouzid).Thèse de Doctorat de 3ème cycle. Université Pierre et Marie Curie, Paris.

Koschel, R. et Zarrouk, M. 1976. Etude hydrologique préliminaire de la nappe phréatique de SidiBouzid. Ministère de l’Agriculture, Direction des ressources en eau.


Penet, P. 1910. L’irrigation de la plaine de Gammouda. Extrait du Bulletin de la Direction del’agriculture et de la colonisation. Tunis.


Apports des modèles numériques de terrainà la modelisation hydrologique

RESUMÉ

Le présent travail s'inscrit dans le cadre de l’étude des problèmes d’érosion en Tunisieréalisée à partir d’un bassin versant expérimental de l’oued Ez-Zioud (Djebel Semmama-Tunisie centrale). Vu les limites d’application offertes par le logiciel DEMIURGE, nousavons été amenés à extraire le bassin versant en question, et à déduire ses caractéristiquesgéomorphologiques et hydrométriques, à partir du modèle numérique de terrain du bassinversant qui le contient, en l’occurrence celui de l’oued El-Hissiane. Nous avons pu obtenir,par superposition des cartes de pentes et des indices de Beven, les zones hydrologiquementhomogènes du bassin versant de l’oued Ez-Zioud.

ABSTRACT

First, we tried to calculate the Digital Elevation Model (DEM) of the Hissiane watershedusing the DEMIURGE program. It was thus proved possible to establish a digitaltopographic map on a wide scale. We extracted the watershed of the Ez-Zioud wadi anddeducted its geomorphological and hydrometrical characteristics from the digital groundmodel of the watershed that contained it, namely the wadi El Hissiane watershed. UsingDEM and after registration of the slope map and saturation map, some “identical zones”were obtained.

INTRODUCTION

L'étude hydrologique d'un bassin versant ne disposant que de très peu d'informations physiquesrepose essentiellement sur des procédés cartographiques. L'utilisation de ces derniers peut êtreconsidérée comme un indicateur permettant, par le croisement des facteurs explicatifs del'écoulement de surface (pentes et sens d'écoulement), de définir un ensemble de zoneshydrologiques homogènes au niveau des caractéristiques hydrologiques (pentes moyennes,altitudes, rugosité, etc.). Il s'agit principalement de mieux tenir compte des propriétés physiquesdes bassins versants et des phénomènes de non-linéarité. A cette fin, il faudra utiliser un conceptgéomorphologique amélioré des bassins versants.

Toutes les disciplines rattachées aux sciences de la terre connaissent de profondsbouleversements depuis que l'on dispose de puissants moyens de calcul appliqués aux donnéeslocalisées. La détermination des caractéristiques géomorphométriques et physiques du bassinversant de l'oued Ez-Zioud (Djebel Semmama - Tunisie centrale), à partir du modèle numériquede terrain obtenu par DEMIURGE, nous aidera non seulement à quantifier certains paramètresphysiques par unités susceptibles d'être homogènes et à expliquer le phénomène d’érosion

M. Bergaoui, enseignant chercheur à l’Institution de recherche et de l’enseignement supérieur agricoles, IRESA, et H. Camus, Directeur de recherche, ORSTOM, Tunis,

Session 3 : Apports des modèles numériques de terrain à la modelisation hydrologique276

hydrique détérminé par le ruissellement de surface, mais à extraire entre autres les cartesspécifiques :

• des pentes (relief),• du réseau hydrographique et de ses dérivés,• des indices de Beven.

La conjugaison des différentes classes de paramètres obtenues à partir de ces cartes nouspermettra d’en établir une qui, superposée à celles de la pédologie et de la végétation, aidera àdélimiter des zones hydrologiquement homogènes.

Le but de ce travail est de fournir quelques éléments permettant une première approximationde la fragmentation du bassin versant de l'oued Ez-Zioud en zones hydrologiques pouvant êtreconsidérées comme similaires. Les résultats de cette étude contribueront à la constitution d'unebanque de données utilisable pour une modélisation hydrologique à discrétisation spatiale (pluie -débit - transports solides) dudit bassin. Ce travail servira également de test d’évaluation despotentialités de DEMIURGE qui est un ensemble de logiciels didactiques à l'usage deschercheurs. En outre, il est réalisé dans le cadre de la validation des modèles numériques deterrain (MNT) calculés par DEMIURGE en faisant l'assemblage de plusieurs parties de la mêmecarte.

Les MNT de type DEMIURGE

DEMIURGE (Digital Model In URGEncy) est un logiciel, à plusieurs modules, de production etde traitement des MNT. C’est un logiciel de traitement d'image consacré à un type de données : lerelief. Sa vocation n'est pas la cartographie automatique ni le système d'informationgéographique, mais plutôt un complément de la panoplie d'outils informatiques actuellementdisponibles sur le marché. Ce logiciel étant publié aux éditions LOGROSTOM de l'ORSTOM(Departere,.1992), nous ne nous attacherons pas à en faire une présentation détaillée, mais nousessaierons de mettre l'accent sur les particularités des principales potentialités offertes par leslogiciels qui le constituent et ce, par le biais de l'organigramme (figure 1).

Plusieurs travaux ont été réalisés sur les MNT de type DEMIURGE (HYPERBAV 1990;Derouiche, 1994; Onibon, 1995).

La méthode d’interpolation utilisée est inspirée de Yoeli (1986). Elle consiste à calculer lavaleur moyenne pondérée de l’altitude interpolée à l’aide de fonctions splines cubiques le long dequatre axes.

PRESENTATION DU BASSIN VERSANT DE L'OUED EZ-ZIOUD

Le bassin versant de l'oued Ez-Zioud (figure 2) se trouve dans le Djebel Semmama en Tunisiecentrale. D'une superficie de 7,74 Km2, l'oued Ez-Zioud représente l'affluent rive gauche de l'ouedEl Hissiane. Plusieurs travaux (Camus et al., 1987; Barbery et al., 1982) résument lescaractéristiques physiques, pédologiques, et autres de ce bassin.

Ce bassin versant expérimental fait l'objet d'une synthèse de données observées de 1974 à1994 et du développement d'un modèle distribué de type pluie-débit-transports solides (tableau 1).


TABLEAU 1Caractéristiques physiques du bassin versant de l’oued Ez-Zioud

Paramètres Unités ValeursSuperficie Km2 7,74Périmètre Km 12,3Indice de compacité Km 1,23Longueur du rectangle équivalent Km 4,32Largeur de rectangle équivalent Km 1,79Altitude maximale m 1250Altitude minimale m 772,5Altitude moyenne m 1011,2Altitude circonscrite par 5% du bassin m 1205Altitude circonscrite par 95% du bassin m 800Dénivelée m 225Indice de pente globale m/Km 59Dénivelée spécifique m 21,2Indice de pente de roche m 0,025

NUMERISATION ET CALCUL DU MNT

Les bassins versants, bien que de petite taille, présentent de grandes hétérogénéités spatiales auniveau des pentes, de la géologie, de l'occupation du sol et du transfert de l'eau sur le bassin.Pour tenir compte de cette hétérogénéité de manière simple, une description rigoureuse de

FIGURE 1Organigramme des modules de DEMIURGE


FIGURE 2Le bassin versant de l’oued El Hissiane et le sous-bassin de l’oued Zioud


la géomorphologie du bassin versant peut être envisagée. Plusieurs modèles de simulation deruissellement couplés à la description géomorphologique du bassin versant ont été développés etadaptés, tel le modèle WASHS mis au point par Singh (1989).

Les interpolations (en général le calcul ne se fait pas en extrapolation) engendrées par lecalcul des modèles numériques de terrain conduisent souvent à des limites de bassin versantdifférentes de la réalité (problème de géocode ouvert) (Derouiche, 1994), ce qui est à la base demodèles peu plausibles. C'est donc pour remédier à ces erreurs et pour effectuer la numérisationque nous sommes partis d'un fond topographique au 1/10 000 du bassin versant de l'oued ElHissiane au coeur duquel se trouve le bassin versant de l'oued Ez-Zioud. Cette stratégie nouspermettra de cerner les contours réels du bassin versant de l'oued Ez-Zioud qui seront par la suiteextraits de l'ensemble pour le reste des opérations.

Au cours de l'assemblage et du calcul des MNT, plusieurs problèmes dont la liste estexhaustive ont été rencontrés. Certes, il serait intéressant de détailler les solutions qui ont étéapportées à ces problèmes d’autant plus que l'assemblage n'a pratiquement jamais été réalisé.Mais ce sont des problèmes purement cartographiques et informatiques.

Après la réussite de l'assemblage avec DEMIURGE, un résultat très intéressant pourl’objectif de notre travail, et la résolution des problèmes posés par les calculs des MNT (Onibon,1995), nous avons, en un premier temps, calculé les MNT des quatre feuilles prises séparément,et par la suite celui de la feuille assemblée, c'est-à-dire du bassin versant de l'oued El Hissiane.

ETUDE DU BASSIN VERSANT DE L'OUED EZ-ZIOUD À PARTIR DU MNT CALCULÉ

Avant de se lancer dans cette étude, il a fallu d'abord extraire le bassin versant de l'oued Ez-Zioudde celui de l'oued El Hissiane. Pour ce faire, nous avons commencé par diviser le bassin d'ElHissiane en sous-bassins et mis en évidence l'ossature principale de Zioud qui occupe, à sonextrémité Sud-Est, une partie d'El Hissiane ne lui appartenant pas. Pour essayer de comprendrecette anomalie, nous avons cherché à calculer les surfaces drainées au niveau du bassin versantd'El Hissiane. La carte des surfaces drainées a fait apparaître un lien étroit entre les thalwegsprincipaux des deux bassins. En outre, si on analyse la partie Sud-Ouest de cette carte, on trouveune autre anomalie sur le réseau d'écoulement de l'oued El Dhiar qui forme, avec l'oued Ez-Zioud,l'oued El Hissiane. Cela est dû au fait que les courbes de niveau qui matérialisent le thalwegprincipal de cet oued ne se forment pas sur la carte numérisée, si bien qu'au cours du calcul desMNT elles ont pris des directions non seulement éloignées de la réalité, mais aussi peu logiques.C'est l'une des erreurs qu'on a voulu éviter avec Zioud en partant d'Hissiane.

Pour cerner les vrais contours de Zioud nous avons procédé à des corrections interactives surdes mailles carrées de 12,5 m de côté (pas du MNT), et ce contrairement à la logique del'écoulement suivant les courbes de niveau. Après la réussite de l'extraction, nous avonscommencé l'étude géomorphométrique de Zioud. La carte des altitudes obtenue (figure 3) présenteZioud comme une plate-forme dont les altitudes divisées en six classes (tableau 2) varient sansressaut ni cassure de 775 m à 1 200 m. Nous avons poursuivi l'étude géomorphométrique encalculant les pentes (figure 4) qui ont été regroupées en cinq classes avec une fortereprésentativité des classes 0 - 5% et 5 - 15% (tableau 3).


FIGURE 4Carte des pentes

FIGURE 3Carte des altitudes du bassin versant de l’oued Ez-Zioud


TABLEAU 2Classes d'altitudes

Couleurs Classes en m Superficies en km2 Superficies en %Vert 775 - 854 2,914 18,8

Marron 855 - 919 4,588 29,6Bleu 917 - 975 3,720 24

Rouge 956 - 975 2,246 14,5Jaune 976 - 1037 1,193 7,7Violet 1037 - 1200 0,837 5,4

TABLEAU 3Classes de pentes

Couleurs Classes en % Superficies en km2 Superficies en %Vert 0 - 5 4,061 26,2

Jaune 5 - 15 9,703 62,6Rouge 15 - 25 1,442 9,3Bleu 25 - 35 0,279 1,8

Marron 35% et plus 0,155 0,1

L'étude du lien entre ces deux paramètres permet de dire que, dans leur variation, les pentessuivent les altitudes.

Nous avons poursuivi l'étude géomorphométrique avec pour objectif la recherche du thalwegprincipal en partant du réseau d'écoulement. Cependant, les deux branches issues de labifurcation évoluent symétriquement vers l'amont ce qui ne permet pas de déterminer aveccertitude laquelle fait partie du thalweg principal. Nous avons alors eu recours à TOPASE, unlogiciel de simulation des écoulements de surface mais qu'on a essayé d'utiliser à d'autres fins(Onibon, 1995). Ainsi, avec un seuillage assez poussé, nous avons étalé comme des nervures surune feuille le réseau hydrographique du bassin versant de l'oued Ez-Zioud et pu ainsi affirmerqu’il s’agissait de la branche faisant partie du thalweg principal. Par la suite, une étude de lacorrélation entre le réseau hydrographique et la pente a révélé que la pente est une fonctionlinéaire décroissante des surfaces drainées.

L'étude a aussi concerné les indices de Beven qui permettent d'estimer les risques desaturation en fonction de la morphologie du site. L’indice de Beven Ib est un indice de saturationpotentielle en eau des sols (Beven et al., 1979). Il est lié à la surface saturée contributive. Onadmet que cette saturation est proportionnelle à la surface drainée (Sd) et inversementproportionnelle à la pente locale (TAn β )

Ib = Log (Sd/ TAn β )

Pour éviter les erreurs introduites dans les résultats par les dépressions présentes sur le MNT,le fichier des altitudes a été lissé avec l'utilitaire de LAMONT LAM LISS. Mais avant d'arriver àce stade, nous avons dû réduire la taille du MNT car l'opération non seulement nécessite uneimportante place en mémoire, mais elle n'est applicable qu'aux MNT de taille inférieure ou égaleà 300 profils de 200 points chacun. Le tableau 4 résume la répartition des cinq classes d'indicesde Beven. La détermination de cet indice nous aidera par la suite à quantifier en partie leruissellement au niveau du bassin versant de l'oued Ez-Zioud. Les valeurs les plus fortes serontplus propices à l'écoulement de surface (zone contributive) que les valeurs faibles. Unabaissement de cet indice stimule l'extension des zones saturées au cours d'une averse. Grâce à lacarte de l'indice de Beven, nous voyons que la saturation du sol est inversement proportionelle à


TABLEAU 4Classe des indices de Beven

Couleurs Classes en m Superficies en km2 Superficies en %Bleu -1541 à -682 0,977 6,3Vert -683 à 1097 7,393 47,7

Rouge 1098 à 2982 5,580 36,7Jaune 2983 à 4650 1,023 6,6Violet 4651 à 7764 0,403 2,6

la pente. Ceci est tout à fait normal car plus la pente est forte, plus le ruissellement sera importantet moins il y aura d'eau stockée en surface. Ce paramètre pourra être pris en compte lors de laréalisation de certains travaux tels que la construction de barrages ou de lacs collinaires auniveau du bassin versant. Une étude approfondie des caractéristiques pédologiques du sol s'avèreaussi nécessaire pour déterminer de façon plus convaincante l'indice de saturation du sol.

ZONES HOMOGÈNES

Les études précédemment réalisées vont nous permettre de dégager des zones hydrologiqueshomogènes à partir de la superposition des différentes cartes. Nous avons d'abord superposé lesmicro-bassins versants au réseau hydrographique. Mais au niveau de quelques micro-bassins(figure 5) il y a une anomalie due à la présence de deux exutoires. C'est l'une des limites deDEMIURGE. Nous avons alors décidé de superposer les cartes des différents paramètres étudiés.Partant de la remarque que dans leur variation les pentes suivent les altitudes et qu'il en est de

FIGURE 5Superposition du réseau hydrographique aux micro-bassins versants


même pour les indices de Beven et le réseau hydrographique, nous avons trouvé judicieux de nesuperposer que les cartes de pentes et des indices de Beven. Ceci nous a conduit à 13 typesd'unités homogènes (figure 6) auxquelles il faudrait superposer les cartes du couvert végétal et dusol. En superposant seulement les quatre classes du couvert végétal à ces 13 zones, on auraenviron 52 types de zones, qui seraient non seulement difficiles à gérer mais auraient des surfacesassimilables à un maillage.

Nous commencerons par la modélisation bien que l'objet de notre étude soit plutôt de trouverles éléments nécessaires à une modélisation : c'est-à-dire une bonne discrétisation spatialepermettant de définir des zones homogènes et d’avoir une idée plus claire de la fonction deproduction d'une unité homogène et de la fonction de transfert d'une maille à l'autre. Toutefois,nous avons un peu réfléchi sur le problème de la modélisation, en particulier de la modélisation àdiscrétisation spatiale. Ainsi Zioud a été divisé en des mailles de 200 m de côté qui, superposéesaux cartes de pentes, des courbes de niveau et du réseau hydrographique, nous a aidés àdéterminer les sens d'écoulement par maille (figure 7). Ceci servira au modélisateur lors de ladétermination de la fonction de transfert. Pour les mailles hétérogènes, nous suggérons qu'ellessoient divisées en mailles homogènes. Plusieurs auteurs ont essayé de montrer l'importance de ladiscrétisation spatiale dans le problème de la modélisation distribuée (figure 7).

Kirkby (1976) a montré l'importance de la topologie du réseau hydrographique surl'écoulement de surface. La description géomorphologique, où le bassin versant est représenté parun ensemble de cascades et de réservoirs, aidera le modélisateur dans sa fonction de transfert.

D'après Laglaine et al. (1993), deux modèles ont été proposés ayant comme élément communla prise en compte de la description géomorphologique du bassin versant. Ce sont les modèlesWASHS ® Watershed Simulation Model ¯ utilisant l'hydrogramme unitaire géomorphologique(GUH) et le modèle de cascades géomorphologique non linéaire GNC. Les deux sont adaptés à lamodélisation de crues extrêmes sur de petit bassins versants et la description géomorphologiquedu bassin versant permet de déterminer l'apport relatif des différentes unités homogènes.

CONCLUSION

L'hydrologue travaille un peu à la manière du biologiste qui chaque fois qu'il souhaite affiner sesrecherches augmente le grossissement de son microscope ". Cette phrase de J-F Nouvelot tirée deson ouvrage "Guide des pratiques hydrologiques sur les petits bassins versant ruraux en Afriquetropicale et equatoriale" doit être notre leitmotiv, conscients comme nous le sommes de l'impactque peut avoir l’erreur d'un millimètre sur les résultats d'un MNT obtenu par numérisation d'unecarte topographique à grande échelle. Pour ce faire, la réussite du calcul des modèles numériquesde terrain à partir d'une carte topographique à grande échelle établie par la méthoded'assemblage des feuilles doit être considérée comme le premier acquis de nos travaux. Cetteexpérience est capitale car, à notre connaissance, elle n'aurait jamais été réalisée. Il est vrai quedes utilitaires d’assemblage de feuilles existent dans la chaîne DEMIURGE, mais la démarche àsuivre pour faire l’assemblage a été abordée dans ce travail.


FIGURE 6Zones homogènes en fonction de la pente et de l’indice de Beven.


L'idée de partir du bassin versant de l'oued Hissiane pour extraire celui de l'oued Ez-Zioudnous a permis de cerner les véritables contours de ce dernier.

L'évaluation, à partir des chaînes DEMIURGE, des paramètres morphométriques ethydrométriques intervenant dans le comportement hydrologique du bassin versant de l'oued Ez-Zioud nous a permis d'obtenir les cartes de pentes, d'altitudes, du réseau hydrographique, et desindices de Beven. L'étude qualitative de ces paramètres nous permet de dire non seulement qu'ilsont un rôle très complexe, mais aussi que leurs actions sont interconnectées et que l'organisationdes mécanismes d'écoulement se fait selon un schéma intimement lié à la morphologie.

Pour atteindre le véritable objectif visé, la carte des zones " dites homogènes " doit êtresuperposée à celle des sols et du couvert végétal. Les difficultés rencontrées lors dessuperpositions et l'intervalle des différentes classes de paramètres nous montrent qu'il seraitabsurde d’affirmer de manière tranchée qu'une zone est homogène. C’est pourquoi desexpressions comme : zones " dites " ou " sensiblement " homogènes s'avèrent plus adéquates.

Si nous ne sommes pas parvenus à déterminer avec précision ces zones “ dites “ homogènes,il convient de souligner que le complément logique à apporter à ce travail pour une bonneinterprétation, voire compréhension, du comportement hydrologique du bassin reste l'applicationde modèles mathématiques aux observations et expérimentations hydrologiques.

FIGURE 7Discrétisation spatiale du bassin versant de l’oued Ez-Zioud


La signification physique des paramètres et leur lien avec des caractéristiques du bassinversant est le souci principal de la modélisation hydrologique.

Enfin, il faut souligner que, malgré tous ses mérites et sa remarquable contribution à l'étudedes modèles numériques de terrain, DEMIURGE a des limites d'application. L'exemple le plusfrappant dans ce travail est l'extraction des sous-bassins à partir du réseau hydrographique. Bienqu'elle constitue un outil très puissant d'analyse, l'informatique ne peut suffire à elle seule àrésoudre tous les problèmes d'aménagement. Il faudrait des démarches complémentairess'appuyant sur la réalité de terrain.

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Apport de la télédétection à l’étude deszones contributives aux écoulements

Cas du site de la mare d’Oursi (Burkina Faso)

RESUMÉ

Une modélisation statistique, à base spatiale, de la relation pluie/débit a été développée etappliquée sur le bassin versant méditerranéen du Réal Collobrier (Var, France). Ellepermet d'estimer l'aptitude à l'écoulement d'un zonage défini à partir de données detélédétection, et de produire une analyse en termes de mécanismes hydrologiques. Afin detester la pertinence, la validité et les possibilités de régionalisation de la méthode, nousl'avons mise en oeuvre sur des bassins versants présentant des conditions différentes decelles du Réal Collobrier, tant du point de vue climatique (Sahel), que du point de vue desmécanismes hydrologiques (ruissellement de surface prépondérant). L'étude est conduitesur le site de la mare d'Oursi (Burkina Faso) et s'appuie sur les travaux de l'ORSTOM. Lesrésultats de ce test sont présentés et discutés. L'intérêt d'utiliser la télédétection dans lecadre de cette démarche est également traité.

ABSTRACT

A statistical analysis of the rainfall-runoff relation based on spatial data has beendeveloped and applied to a Mediterranean watershed (Réal Collobrier). On the base of apartition obtained by remote sensing analysis, it is possible to assess the runoff capabilitiesof each area and to analyze the results in terms of hydrological mechanisms. In order totest the interest, validity and possibilities of regionalizing this method, we have developedan approach for watersheds in different climatologic conditions (Sahel) and with differenthydrologic processes (runoff is predominant). The study area is the Mare d'Oursi (BurkinaFaso) and work carried out by ORSTOM was used. The results are presented here and theinterest in the use of remote sensing is also discussed.

CONTEXTE DE L'ÉTUDE

La connaissance de la relation qui permet de transformer la pluie en débit est un élémentfondamental de la gestion quantitative de la ressource en eau. Or, dans un contexte de donnéeshydrologiques rares ou inexistantes (ce qui est souvent le cas), il est quasiment impossible dedéfinir une telle relation, sans s’appuyer sur une approche de type mécaniste. Malheureusement,ces mécanismes, souvent fort complexes, sont encore mal connus. Pour les décrire de nombreuxparamètres sont requis, parmi lesquels les caractéristiques physiques et géomorphologiques dubassin. L'information géographique fournissant une représentation spatialisée de certains de cesparamètres, on peut penser que ces données contribueront à une meilleure connaissance desopérateurs régissant la relation pluie/débit, et à terme faciliteront les tentatives derégionalisation hydrologique. Parmi les informations géographiques disponibles, les données

Pascal VineLaboratoire commun de télédétection CEMAGREF-ENGREF, Montpellier, France

Session 3 : Télédétection et écoulements (Mare d’Oursi, Burkina Faso)288

de télédétection occupent une place privilégiée, car elles permettent une description exhaustive,objective, reproductible et répétitive de l’espace. De plus, la télédétection est souvent la seulesource d’informations disponible.

L'articulation entre « information géographique » et « hydrologie » est complexe (Puech,1995). A priori la modélisation hydrologique distribuée devrait être directement compatible avecles données géographiques, puisque les deux approches sont spatialisées. Toutefois, pour unebonne adéquation, il faut que les besoins de l’une soient proches des possibilités de l’autre.

On peut ainsi schématiser (figure 1) cette relation sous la forme d’une liaison entre un objethydrologique et un objet visuel. L’objet « hydrologique » fait référence à un processushydrologique dominant (mécanismes de type surfaces saturées contributives, interception par lavégétation). L’objet « visuel », observé à partir de données de télédétection (couverture végétale)ou d’informations géographiques (pédologie, topographie), permet de révéler tout ou une partiedes facteurs contrôlant l’apparition de ce processus dominant (topographie, occupation du sol).

L’objet « visuel » fournit alors une cartographie en zones dites homogènes vis-à-vis de ce(s)facteur(s), et donc de l’objet hydrologique.

Ces zones homogènes peuvent être intégrées au sein d’un « modèle » hydrologique spatialiséau travers de deux approches complémentaires :

• soit par une démarche agrégative : on considère une connaissance locale, qui agrégée,permettra de reconstituer un tout (de la parcelle au bassin versant, par exemple) ;

• soit par une démarche désagrégative : il s’agit ici, à partir d'une connaissance globale, deretrouver les contributions de parties dont le comportement est supposé homogène (du bassin àdes zones homogènes internes au bassin, par exemple).

Ces démarches s’appuient sur des outils de modélisation hydrologique différents :

FIGURE 1Représentation de la relation objet hydrologique / objet visuel

PROCESSUS ObjetHydrologiqueFACTEURS

Télédétection Hydrologie

Zones Homogènes

Modèle Hydrologique SpatialiséPLUIE DEBIT

ObjetVisuel


• de type distribué (connaissance des fonctions locales de production et de transfert) pour unedémarche agrégative ;

• de type semi-distribué (niveau global, bassins versants, sous-bassins versants ou zonesidentifiées comme homogènes) pour une démarche désagrégative.

Dans le cadre de notre étude, nous mettons en oeuvre une démarche « désagrégative » quiconsiste à définir a priori un modèle hydrologique susceptible d’intégrer une informationspatialisée, et de rechercher les couples "objets visuels / objets hydrologiques" qui permettent unereconstitution satisfaisante des débits. Ces couples sont ensuite analysés en terme de mécanismeshydrologiques.

Le modèle retenu (Puech, 1993) s’appuie sur l’hypothèse que le bassin versant peut êtrepartagé en zones homogènes vis-à-vis des écoulements, sur la base d’informations detélédétection.

Chacune de ces zones est caractérisée par un coefficient d’écoulement (hypothèsed’invariance spatiale de la fonction de production) et est supposée contribuer au débit totalproportionnellement à sa surface (hypothèse d’additivité des écoulements). Une démarche pardéconvolution utilisant plusieurs sous-bassins jaugés permet alors de déterminer ces coefficientsd’écoulement (figure 2). Le calcul des coefficients d’écoulement des zones homogènes se fait paroptimisation de la fonction objectif suivante :

( )minimum( )Q Qobservé calculé−∑ 2.

Afin de pouvoir procéder à ce calcul d’optimisation, il est nécessaire de disposer d’un nombrede bassins versants (nombre d’équations) strictement supérieur au nombre de zones homogènes(nombre d’inconnues).

Nous rappelons que cette démarche a été mise en oeuvre sur un bassin versant expérimentalet représentatif du Cemagref : le Réal Collobrier, situé dans le massif des Maures en régionméditerranéenne (Var, France). Plusieurs types de partages de l’espace ont été testés. Nousciterons plus particulièrement l’étude concernant l’aptitude à l’écoulement de catégories végétales(Puech, 1993).

FIGURE 2Schéma de principe de la modélisation hydrologique


L’objet visuel est ici la couverture végétale cartographiée par télédétection satellitaire (imagesSPOT d’hiver et d’été), l’objet hydrologique est l’ensemble composé de la couverture végétale, dusol et du sous-sol. L’étude a été conduite à un pas de temps annuel pour que soit vérifiéel'hypothèse d'additivité des écoulements (figure 3). Dans le cas du Réal Collobrier, la résolutiondu système fait intervenir l'évolution des coefficients d'écoulement annuels avec la pluie totaleprécipitée.

Ces travaux ont contribué à l'étude du rôle de la végétation sur les écoulements.Malheureusement ces résultats n'ont pu être formellement validés en raison de l'absenced'expérimentation de terrain portant sur l'hydrologie des versants forestiers.

En mettant en oeuvre la même procédure dans un contexte géographique et hydrologiquetotalement différent, c'est la méthode elle-même que nous cherchons à valider.

OBJECTIF ET MÉTHODE

Les objectifs de ce travail sont de :

1 - confirmer l'intérêt de cette méthode pour une meilleure compréhension des mécanismeshydrologiques ;

2 - tester la régionalisation de la méthode.

FIGURE 3Principe et résultats de l’estimation des coefficients d’écoulement annuels de catégoriesvégétales (Bassin du Réal Collobrier, Var, France

Sous-Bassins Versants

910

12

65

7

48

Pluviométrie annuelle en mm

Coefficient d'Ecoulement Annuel

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

500 750 1000 1250 1500 1750

Bv8

Bv9

Bv10

Bv7

Zones Homogènes par Catégories de Végétation

Sol Nu

Châtaigniers + Chênes

Chênes + Pins

Pins

Châtaigniers

Chênes

Vignes

jj

i ijQi K P S==∑

1. .

Coefficient d'Ecoulement Annuel


Pour atteindre ces objectifs, les sites d'étude doivent satisfaire aux conditions suivantes :

• le nombre de bassins jaugés doit être suffisant pour que puisse être mise en oeuvrel'optimisation ;

• les mécanismes régissant la relation pluie/débit de ces bassins doivent être suffisammentconnus pour permettre la validation des résultats obtenus ;

• des sites complémentaires doivent exister à proximité afin de tester la transposition desrésultats obtenus.

Nous avons donc choisi de travailler sur des bassins versants présentant des conditionsdifférentes de celles du bassin du Réal Collobrier, tant du point de vue climatique (Sahel), que desmécanismes hydrologiques (ruissellement de surface prépondérant). Les sites retenus (mared’Oursi et bassins de Gagara) sont des bassins expérimentaux de l’ORSTOM situés au BurkinaFaso, sur lesquels nous disposons d'informations et de connaissances hydrologiquesconsidérables.

Notre démarche sera donc la suivante ;

• analyse du contexte hydrologique à partir des travaux réalisés par l’ORSTOM, puis choixd’un couple « objet visuel / objet hydrologique » ;

• partage de l’espace à partir de données de télédétection ;• sur la mare d’Oursi, mise en oeuvre de la méthode à différents pas de temps;• analyse des résultats obtenus par confrontation aux études de terrain réalisées par

l’ORSTOM;• réflexion sur l’apport de la méthode pour une meilleure connaissance des processus;• sur les bassins de Gagara, application des résultats obtenus sur Oursi. Réflexion sur les

possibilités de régionalisation de la méthode.

PRÉSENTATION DES SITES D’ÉTUDE ET CHOIX RÉALISÉS

L’analyse est entreprise sur deux ensembles de bassins versants du Burkina Faso : le site de lamare d’Oursi (bassin endoréique de 263 km²) et le site de Gagara (deux bassins de 24.3 et 35km²).

Ces deux sites appartiennent au même contexte géologique, de type plutonique (Seguis, 1986)et climatique (zone sahélienne de pluviométrie 400 mm concentrée de juin à septembre). Nous neprésenterons ici que le site de la mare d’Oursi (figure 4).

Le bassin versant de la mare d'Oursi est fermé par un cordon dunaire orienté d’Est en Ouest,typique des paysages sahéliens de la boucle du Niger. La géologie du bassin est dominée par unealtération généralisée plus ou moins développée. Il est composé de sept bassins versants (de 0.8 à105 km²) suivis par l’ORSTOM de 1976 à 1981 (figure 5 et tableau 1). Il regroupe sur unesurface réduite un grand nombre de situations géomorphologiques caractéristiques du Sahelafricain (Claude et al., 1991).


Le contexte hydrologique

La pluviométrie de la zone présente uneforte hétérogénéité spatiale, mais unegrande unité climatique régionale.

D’un point de vue mécaniste, lesprocessus générateurs d’écoulementpeuvent être assimilés à un mécanisme derefus d’infiltration, lié surtout à laprésence d’une pellicule imperméable, etassez comparable à un mécanismehortonien (Grésillon, 1994).

TABLEAU 1Caractéristiques générales des bassins. Pluie annuelle moyenne 460 mm (Chevallier, 1985)

Stations Durée observ.année

Surfacekm²

Altit. exutoire (mètres) Coef. Ecoul. moyen %

Ousri 263Jalafanka 5 0.81 310 36.6

Kolel 6 1.05 334 12.6Polaka 5 9.14 339 14.4Tchalol 5 9.28 332 26.5

Outardes 5 16.5 303 20.0Gountoure 5 24.6 304 25.0

Taima 5 105 305 14.0

FIGURE 4Situation des bassins (Albergel, 1988). Nord-Est du Burkina FasoPosition de l'image satellite LANDSAT MSS du 4/02/76

FIGURE 5Site de la mare d’Oursi (Chevallier et al., 1985)

4km

Mare

Taima

Tchalo

Polaka Outardes

Jalafanka

Kolel

Gountoure

Exutoire

N


Dans ces régions sahéliennes, l’imperméabilisation des sols sous l’effet mécanique de la pluie estfacilitée par la rareté de la végétation. La région d'étude (comme dans tout le Sahel) se caractérisedonc par l’importance des états de surface sur l’hydrodynamique, ainsi que par l’organisationspatiale des pluies et leurs caractéristiques (intensité, durée).

Le concept d’états de surface est par conséquent un concept clé dans la compréhension desécoulements au Sahel. Il a été formalisé par l’ORSTOM (Casenave et al., 1989), qui a égalementmis au point une méthode pour les cartographier (objet visuel). Ces états de surface sontcaractérisés par un comportement hydrodynamique particulier (objet hydrologique). Composés desurfaces élémentaires, ils peuvent varier considérablement suivant l’unité hydrologique à laquelleon s’adresse (plaine désertique, champ).

Compatibilité du modèle avec le contexte hydrologique

La formulation de la relation liant le débit à la pluie Q = K.P peut être discutée. En effet au pasde temps de l'épisode, d'autres facteurs interviennent dans l'explication du ruissellement, tel quel'indice des précipitations antérieures. Pour les pas de temps annuel et mensuel, bien que cespluviométries soient très liées aux caractéristiques des averses qui les composent (intensité, durée,qui sont en partie reliées à la position de l’averse au cours de l’hivernage) (Chevallier et al.,1985), nous considérerons que cette formulation est globalement acceptable (se référer auxgraphiques pluviométriques de Chevallier et al., 1985).

Enfin, nous pouvons considérer que les deux hypothèses du modèle sont globalement vérifiées:

• Hypothèse d'invariance :si notre partage de l'espace se fait sur la base des états de surface, nous pouvons considérerque l'hypothèse est vérifiée.

• Hypothèse d'additivité :à l'échelle du bassin de la mare d'Oursi, les mesures au simulateur de pluie ont montré quel'organisation spatiale des états de surface conduit à une imperméabilisation croissante del’amont des bassins vers l’aval (Chevallier et al., 1985). Cette organisation est favorablecar elle facilite l'acceptation de l'hypothèse d'additivité des débits issus de chaque zonehomogène.

Choix d’un partage de l’espace en zones homogènes

Le zonage de l'espace va donc s'appuyer sur une cartographie des états de surface.

La cartographie par télédétection de ces états de surface a été abordée par différents auteurs(Lointier et al., 1984; Lamachère, 1987; Albergel, 1988; Puech, 1993). La télédétection permetici de produire un document cartographique homogène pour différents sites. Ce dernier point estessentiel, car la diversité des descriptifs pédologiques rend souvent difficile un recensementhomogène des sols (Seguis, 1986).

Dans le cadre de notre étude, nous devons disposer d’une cartographie d’états de surface enquatre à cinq postes de légende de façon à conserver un nombre de zones homogènes largementinférieur au nombre de bassins jaugés. Nous avons retenu la cartographie réalisée par Lointier etal (1984), à partir de l’image Landsat du 4 février 1976 (résolution de 80 mètres). Cette


cartographie différencie des états de surface sur roche plutonique en 10 postes de légende, quel’on peut réduire à quatre afin d’obtenir ce que nous pourrions appeler, des hydropaysages(tableau 2).

TABLEAU 2Passage de la nomenclature en 10 postes à la nomenclature en quatre postes (Lointier et al., 1985;Chevallier et al., 1985).Nomenclature initiale Nomenclature finaleSables vifs Systèmes dunairesSables fixésVégétation Thalwegs et dépressionsMare d’OursiButtes Buttes et reliefAltération de cuirasseBlocs de roches diversesGravillons GlacisArènes, sables grossiersPellicule induré

TABLEAU 3Répartition des hydropaysages (en % de la surface totale) sur les bassins versants de la mared’Oursi (Chevallier, 1985)

Bassin Surface (km²) Système dunaire Thalwegsdépressions

Buttes et reliefs Glacis

Oursi 263 12 21 8 59Outardes 16.5 0 25 19 56Polaka 9.14 18 6 16 60Tchalol 9.28 1 8 44 47Taima 105 8 16 10 66

Jalafanka 0.81 0 0 0 100Kolel 1.05 0 0 100 0

Gountouré 24.6 8 5 0 87

D’un point de vue hydrodynamique, ces hydropaysages (tableau 3 et figure 6) peuvent êtredécrits de la manière suivante (Chevallier et al., 1985) :

• le système dunaire : Le réseau hydrographique y est inexistant et le ruissellement très faible;• les thalwegs et dépressions : Ce sont les marigots et la mare elle-même. Il s’agit de sols

hydromorphes, vite saturés, donc imperméables, dans lesquels l’eau est reprise parl’évaporation;

• les buttes et reliefs : Il s’agit de roches granitiques ou de surfaces cuirassées puis disséquées.Le ruissellement y est intense localement et se concentre assez rapidement en ravines dont ledéveloppement est modéré par la brièveté des versants;

• les grandes zones de glacis : Il s’agit d’une notion topographique où les paysages sontrelativement plans et de faible pente. La végétation y est très inégalement répartie allant de labrousse dense à des plaques de sol nu (formations liées aux cuirasses ferrugineuses auxaffleurements rocheux). Ces zones sont peu perméables.

Choix des pas de temps pour l’analyse hydrologique

Nous avons choisi de travailler aux pas de temps annuel et mensuel. Malgré les remarquesformulées plus haut, la démarche sera également appliquée au pas de temps événementiel afin


d’analyser (qualitativement) la faisabilité d'une extension de la démarche aux pas de temps pluscourts.

Le choix de ce pas de temps hydrologique n’est pas sans conséquence sur la notion précédentede zone homogène (envisagée du point de vue spatial). En effet au cours de la saison despluies, la végétation, l’humidité des sols, etc. peuvent évoluer, et cela de manière hétérogène dansl’espace. Le partage en zones homogènes peut donc être remis en cause. La « robustesse » denotre partage sera donc à analyser.

MISE EN OEUVRE DE LA MÉTHODE ET RÉSULTATS

Au niveau annuel

L’optimisation pour le calcul défini ci-dessus donne les résultats suivants :

TABLEAU 4Détermination des coefficients d‘écoulement annuels (en %) sur la base de sept bassins versants(tableau 3)

Année Pluie moyenne (mm) Systèmes dunaires % Thalwegs % Buttes % Glacis %Inter-annuel 360 0 0 13 30

77 424 0 0 13 3578 358 0 0 3 2579 322 0 0 9 2580 308 0 0 17 39

Ces valeurs estimées ont été appliquées au bassin d’Oursi et comparées aux valeurs calculéespar une méthode de bilan hydrologique (Chevallier et al., 1985) (figure 7)

Des calculs identiques ont été réalisés sur différents jeux de bassins. Nous retiendrons lesrésultats obtenus (tableau 5) sur un jeu de cinq bassins ne comprenant pas Jalafanka, Kolel(bassins homogènes vis-à-vis des hydropaysages, cf. tableau 3) et Oursi.

FIGURE 6Hydropaysages de la mare d’Oursi. Transect Sud-Nord (in Claude et al., 1991)


TABLEAU 5Détermination des coefficients d‘écoulement annuels (%) sur la base de cinq bassins versantsAnnée Pluie moyenne (mm) Systèmes dunaires % Thalwegs % Buttes % Glacis %77 424 0 3 26 2878 358 0 14 7 2079 322 0 10 33 1380 308 0 0 31 35

La validation (figure 8) montre que les écoulements sont mal reconstitués pour Jalafanka etKolel. Le débit estimé pour Kolel est systématiquement surévalué, alors qu'il est sous-évalué pourJalafanka.

Au niveau mensuel

Le calcul est effectué sur la base des sept bassins versants (tableau 6).

FIGURE 7Validation sur la bassin d’Oursi des coefficients calculés sur la base des sept bassins versants(tableau 3)

10

20

30

40

10 20 30 40

Kr calculé (en %)

Kr mesuré par bilan (en %)

77

78

79

80

Année

FIGURE 8Validation sur le bassin d’Oursi des coefficients calculés sur la base de cinq bassins versants

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

Kr calculé (en %)

Kr

ob

serv

é (e

n %

)

Kolel

Jalafanka

Oursi79

78

80

77

78

7977

80

7879

8077

Année


TABLEAU 6Coefficients d’écoulement mensuel (%) calculés sur la base de sept bassins pour despluviométries supérieures à 20 mm

An Mois Pmmmoyenne

Dunes Thalwegs Buttes Glacis

77 8 260 0 0 3 4377 9 68 0 48 22 3578 7 71 0 0 4 3078 8 194 0 20 6 3278 9 28 0 0 0 1979 5 69 0 0 0 1879 7 92 0 0 10 3279 8 78 0 0 11 2879 9 70 0 43 11 1980 6 40 0 0 18 3580 7 139 0 0 19 4680 8 71 0 1 17 42

On constate que les résultats au niveau mensuel recoupent globalement les résultats du pas detemps annuel. Toutefois la zone thalwegs présente des coefficients d'écoulement qui, certainsmois, peuvent être supérieurs à zéro. Ces résultats concernent plutôt les mois de fin de saison despluies (août et septembre).

Au niveau de l’épisode

Parmi les crues recensées dans le document (Chevallier et al., 1985), nous avons sélectionné lesépisodes pluvieux qui nous ont semblé avoir concerné l’ensemble du bassin d’Oursi. Le choix aété réalisé sur la base des dates de l’événement de crue (tableau 7).

TABLEAU 7Calcul des coefficients d’écoulement (%) pour des événements de crue de pluviométriesupérieure à 20 mm (calcul sur la base de sept bassins)

Date del'événement

Pmmmoyenne

Syst. dun. Thalwegs Buttes Glacis

19/07/1977 30.9 0 0 10 3913/09/1977 20.4 0 25 17 4130/07/1978 42.3 16 95 6 3102/08/1978 26.3 0 0 6 5319/07/1979 21.7 0 41 10 3617/07/1980 36.6 0 0 25 5920/07/1980 23.5 0 0 25 48

Globalement, nous retrouvons les résultats des niveaux annuel et mensuel. Nous noterons enparticulier que les glacis et le système dunaire présentent des valeurs relativement stables quelque soit l’événement considéré. L'analyse fine de ces résultats est rendue difficile par le faiblenombre d'événements disponibles, sans doute aussi par l'écart entre la réalité et les hypothèses descalculs dans le cas de ce pas de temps.

ANALYSE DES RÉSULTATS ET DISCUSSION

Le tableau 8 rassemble les résultats présentés dans les tableaux 4, 5, 6 et 7.


TABLEAU 8Coefficient d'écoulement (en %). Synthèse des résultats

Interannuel Annuel Mensuel CrueSyst. dun. 0 0 0 0Thalwegs 0 0 à 10 0/20/40 0/20/40/100

Buttes 13 10 à 20 0 à 20 5 à 30Glacis 30 25 à 40 20 à 50 30 à 60

En confrontant ces résultats aux études conduites par l’ORSTOM , nous pouvons fairel’analyse suivante :

Les zones de glacis et de système dunaire

Les résultats obtenus sont cohérents quel que soit le pas de temps, ce qui conduit à penser que lesaptitudes à l’écoulement de ces zones sont peu influencées par des évolutions (végétation,humidité) de leurs états de surface au cours de la saison.

Ces résultats sont en accord avec les expériences conduites avec le simulateur de pluie parl’ORSTOM. Ces simulations montrent en effet que les ruissellements, sur système dunaire,apparaissent de façon limitée après 30 minutes d’averse à 60 mm/h, alors que pour les zones deglacis, le ruissellement (souvent en nappe) apparaît dès 5 mm de pluie, et ce, quelle que soitl’intensité.

Ces résultats sont également en accord avec ceux de Séguis (1986) qui a étudié la réponsemoyenne de plusieurs bassins pour une gamme donnée de pluies. Il a tenté de régionaliser unindice (somme des lames ruisselées pour trois pluies de 10, 20 et 70 mm) sur la base d’uneanalyse géomorphologique des bassins, en les regroupant par nature du substratum. Pour lesbassins sur roche plutonique, Seguis distingue trois grandes unités vis-à-vis du ruissellement : lesreliefs (buttes, dunes, affleurements rocheux), les glacis et les dépressions ou thalwegs. Il montreque ce sont les glacis qui ruissellent le plus.

La zone buttes/relief

Les valeurs estimées des coefficients d’écoulement restent comparables lorsque le pas de tempschange. Par contre, l’amplitude de variation de ces coefficients est relativement forte et indiqueune instabilité qu’il convient d’analyser.

Lorsque l’on consulte les études par simulation de pluie sur cette zone, on constate que lescoefficients de ruissellement peuvent atteindre 90 %. Mais en réalité ces zones présentent denombreuses fractures, dues aux altérations, qui induisent des infiltrations ponctuelles. La part duruissellement qui atteint alors le réseau hydrographique est moins élevée (Chevallier et al, 1985)et se montre très variable suivant le bassin considéré. Par exemple, Kolel, qui est totalementcouvert de buttes/relief, ruisselle peu; alors que Tchalol, qui ruisselle plus que Polaka malgré unemême superficie et une proportion de glacis plus faible, voit ses reliefs contribuer à l'écoulement.On retrouve ces différences dans la figure 7 lors de la reconstitution du débit de Kolel.

Il semble donc difficile d'identifier sur le terrain un comportement "unique" de la zonehomogène butte/relief, ce qui est confirmé par les résultats de notre analyse.


La zone thalwegs/dépressions

Au pas de temps annuel, les coefficients estimésdans les tableaux 5 et 8 prennent des valeursrelativement faibles face aux valeurs attendues. Eneffet les mesures au simulateur de pluie (Chevallieret al., 1995) ont montré qu’il se produisait uneimperméabilisation croissante en allant de l’amontdes bassins vers l’aval, ce qui devrait donner deforts coefficients pour les thalwegs / dépressions.

Au niveau mensuel, on identifie une tendance àl'imperméabilisation au cours de la saison(augmentation du coefficient d'écoulement). Cerésultat est à relier à la fermeture des fentes dedessication du sol dès que celui-ci devient plushumide (communication personnelle de Lamachère,1995). L'eau stagne alors dans des flaques et esttrès vite reprise par évaporation, ce qui diminueraitd'autant l'écoulement (Chevallier et al., 1985).

Ici encore notre analyse nous permet, grâce à une approche à plusieurs pas de temps, uneinterprétation des coefficients d’écoulement en termes de mécanismes.

En conclusion, on peut dire que ces résultats illustrent la difficulté de résumer par rapport àquelques zones homogènes le comportement hydrologique d’un bassin versant. Néanmoins ilsconfortent notre approche en montrant qu’elle semble permettre une analyse pertinente (exemple :zone homogène des thalwegs) des comportements hydrologiques en jeu.

VERS UNE RÉGIONALISATION DE LA MÉTHODE

Ce paragraphe présente une tentative de transposition des résultats obtenus sur le site de Gagara.Nous nous appuyons ici sur les travaux d’Albergel (1988), qui a utilisé la procédure decartographie par télédétection de Lointier et al. (1984) sur les sites de Garaga. Aprèsregroupement des 10 thèmes d’occupation du sol en quatre, nous obtenons les proportionsprésentées au tableau 9.

Sur la base des résultats précédents, nous pouvons appliquer, pour les pas de temps annuel etmensuel, des coefficients d’écoulement moyens par zone homogène (tableau 10).

Les résultats sont présentés dans le tableau 11. Cette approche permet donc, au niveau annuel(excepté année 57), et pour les mois pluvieux (juillet, août et septembre), d’estimer lescoefficients d’écoulement de façon relativement satisfaisante. L’ordre de grandeur est respecté.

TABLEAU 10Coefficients d'écoulement (en %) retenuspour les zones homogènes - Zone deGagara

Zone homogène Coefficientmoyen en %

Système dunaire 0Thalwegs et dépressions 10Buttes et relief 10Glacis 30

TABLEAU 9Proportions de zones homogènes sur lesbassins de Gagara

Gagara Est Gagara OuestSurface km² 35 24.3Dunes % 17 14Thalwegs % 7 6Buttes % 0 0Glacis % 76 80


L'analyse conduite ici rejoint celle de Seguis (1986) qui a défini les potentialités auruissellement par le pourcentage de glacis.

CONCLUSION

Les travaux engagés dans cet article avaient pour but de :

1 - confirmer l'intérêt de notre méthode de décomposition de l’espace en zones homogènes pourune meilleure compréhension des mécanismes hydrologiques ;

2 - tester la régionalisation de cette méthode.

Les principaux points à retenir concernent

Les apports de ce modèle spatialisé pour :

La connaissance des mécanismes hydrologiques :

La démarche présentée ici apporte des éléments de réflexion originaux aux études concernantl'analyse des mécanismes générateurs de crues.

La principale difficulté réside dans le choix du couple "objet visuel / objet hydrologique". Ildoit en effet correspondre à une « réalité » hydrologique, et faire référence à un contexte spatio-temporel clairement explicité, si l’on veut éviter de se fourvoyer.

La régionalisation hydrologique :

La transposition de ce modèle en zone sahélienne n'a pas posé de difficultés du fait de sa"simplicité".

La tentative de transposition sur les sites de Gagara des résultats obtenus sur Oursi a donnéde bons résultats. Il conviendrait de tester cette transposition en d'autres lieux.

TABLEAU 11Comparaison des coefficients d'écoulement observés et calculés à partir des données dutableau 10

Gagara Ouest Gagara EstP moy

mmK obs.

%(Cal-Obs)

ObsP moy

mmK robs

%(Cal-Obs)

ObsDonnées au pas de temps mensuel pour l’année 1995

Juin 17.6 0 - 13.5 11 136Juillet 56.9 21 12 42.6 22 18Août 88.8 29 -19 86.4 26 0

Septembre 35.6 28 -16 42.4 24 8Octobre 1.3 0 - 1 0 -

Données au pas de temps annuel1956 445 18 31 440 19 371957 385 12 96 395 11 1361985 200 24 0 186 23 13


L'apport de la télédétection au sein de cette modélisation :

Cette information est particulièrement bien adaptée à notre démarche, car elle permet lafourniture de données géographiques sur des zones déficitaires en informations et de produire, surdivers bassins, des cartographies aux nomenclatures homogènes.

La démarche spatialisée « désagrégative » présentée dans cet article constitue donc un outild'analyse pertinent apportant des éléments de réflexion sur les mécanismes et la régionalisationhydrologique. Elle doit être considérée comme un outil d’investigation complémentaire desdémarches agrégatives et mesures de terrain.

BIBLIOGRAPHIE

Albergel, J. 1988. Genèse et prédétermination des crues au Burkina Faso : du m² au km² étude desparamètres hydrologiques et de leur évolution, Editions de l'ORSTOM, Collection études et thèses,341 p.

Casenave, A. et Valentin, C. 1989. Les états de surface de la zone sahélienne. Influence surl'infiltration, ORSTOM, Paris, Didactiques, 230 p, 196 photos.

Claude, J., Grouzis, M. et Milleville, P. 1991. Un espace sahélien, la mare d'Oursi, Burkina Faso,Editions de l'ORSTOM, 241 p..

Chevallier, P., Claude, J., Pouyaud, B. et Bernard, A. Hydrologie de la Mare d'Oursi (Burkina Faso)(1976-1981), Editions ORSTOM, Collection Travaux et Documents n°190, 251 p.

Ribstein, P. 1990. Modèles de crues et petits bassins versants au Sahel, Editions de l'ORSTOM,Collection Etudes et Thèses, 317 p.

Grésillon, J.M. 1994. Contribution à l'étude de la formation des écoulements de crue sur les petitsbassins versants, approches numériques et expérimentales à différentes échelles, Document HDR,LTHE, Université Joseph Fourier Grenoble, 156 p.

Lointier, M. et Lortic, B. 1984. Mare d'Oursi, traitement numérique de la vue LANDSAT du 4 février1976. ORSTOM Cayenne 13 p.

Lamachère, J.M. 1987. Cartographie des aptitudes au ruissellement et à l'infiltration des sols d'unbassin versant sahélien par interprétation des images SPOT : le bassin de la mare d'Oursi,Burkina Faso. SPOT 1, utilisation des images, bilan, résultats. Paris, novembre 1987, CNES -CEPADUES éd. : 41-51.

Puech, C. 1993. Détermination des états de surface par télédétection pour caractériser les écoulementsdes petits bassins versants. Application à des bassins en zone méditerranéenne et en zone tropicalesèche, Thèse de doctorat, Université Joseph Fourier, 214 p.

Puech, C. 1995. Télédétection et modélisation hydrologique : quelle vision, quelle échelle, quelsprocessus ?, Télédétection et Gestion des ressources en Eau, Colloque FAO, Montpellier, 29.11 au1.12.95

Seguis, L. 1986. Recherche pour le Sahel, d'une fonction de production journalière (lame précipitée -lame écoulée). Thèse de doctorat, Univ. Sciences et Techniques du Languedoc, Montpellier, 326 p.

REMERCIEMENTS

Nous remercions J.M. Grésillon (Université de Bordeaux), C. Puech (LCT Cemagref-ENGREF) et J.M.Lamachère (Orstom) pour leurs remarques et conseils.


Bilan hydrique

Water balance

Session 3304


Models for determining evapotranspiration

RESUMÉ

L′évapotranspiration réelle peut être calculée à partir du rayonnement net journalier et dela différence entre la température de l′air et de surface des cultures en milieu de journée.Nous proposons d′estimer l′évapotranspiration à l’aide des modèles à une ou deux coucheset d’une combinaison d′images Landsat et NOAA, les premières pour connaître ladistribution des cultures et les deuxièmes pour déterminer la variation spatiale de latempérature. Cette méthode permet d′estimer l′évapotranspiration réelle avec une marged’erreur de 0,9 mm par jour et, en conséquence, de contrôler les besoins d′irrigation.

ABSTRACT

The actual evapotranspiration can be calculated from daily net radiation and thetemperature difference between air and crop surface at midday. We propose estimatingactual evapotranspiration by using one or two layer models and combining Landsat andNOAA images, the former for defining crop distribution and the latter for determiningspatial variation in temperature. This methodology allows for the estimation of actual dailyevapotranspiration with an error margin of 0.9 mm day-1, and in consequence to monitorwater requirements.

INTRODUCTION

Knowledge of evapotranspiration is useful for different aims like water budget calculations,climatological and meteorological studies. In arid regions evapotranspiration is a significant andoften the dominant water flux leaving the Earth´s land surface, nearly all the inputs in the form ofrain is lost trough evapotranspiration therefore the importance of this parameter for controllingwatering schedule and determining crops productivity. We have applied this methodology to theBarrax and Tomelloso (Spain) areas, pilot experiment zones of the EFEDA project. (Bolle andLanger,1991)

METHODOLOGY

Attempting to determine the energy transport in sparsely vegetated rangelands requires methodssuch as those proposed by Shuttleworth and Wallace (1985), Shuttleworth and Gurney (1990) orKustas (1990) that consider the soil and canopy as separate sources or sinks for latent andsensible heat fluxes.

E. Hurtado and M.M. Artigao, Department of Applied Physics, Polytechnical College ofAlbacete, University of Castilla-La Mancha, Albacete, and V. Caselles, Department of

Thermodynamics, Faculty of Physics, University of Valencia, Burjassot, Spain

Session 3 : Models for determining evapotranspiration306

In these models the soil and canopy are each treated as a separate source (or sink) of energywhich involves the assignation of temperatures and humidities for each one of the sources (orsinks) and for the atmosphere. A two layer model can be schemed by figure 1, where Tv and Tgare the surface temperature of foliage and ground surface respectively. Ta is the air temperatureat screen level and To is the canopy-air system temperature at level z=zo+d, i.e. the level of thesources/sinks of sensible heat, or of the hypothetical canopy air flow. H is the sensible heat flux.If the canopy covers completely the soil a single layer model can be used (Hurtado, 1994a).

To Determination

The total radiation absorbed by the vegetation/soil system is Rn=Rnv+Rng. The division of Rn

between latent and sensible components gives:

Rnv = LEv + Hv (1)

Rng = LEg + Hg + G (2)

Looking at figure 1 we can write:

H = Hv + Hg (3)

ρ Cp (To - Ta) / ra= ρ Cp (Tv - To) / rv + ρ Cp (Tg - To) / rg (4)

where ra, rv and rg are the appropriate aerodynamic resistances.

Equation (4) can be written as:

Tg -To= (rg / ra) (To - Ta) - (rg / rv) (Tv - To) (5)

From equation (5) the expression for the To calculation can be obtained:

FIGURE 1

zo+d

soil

level z

level


Tr r T r r T r r T

r r r r r rOa g v a v g v g a

a g a v v g

=+ ++ +

(6)

B Determination

If ag is the fractional ground area, observed from the nadir, the measured infrared surfacetemperature Ts may be expressed as:

Ts = Tg ag+(1- ag) Tv (7)

and we can write:

Ts-Ta = (To-Ta) + ag (Tg-To) + (Tv-To) (1-ag) (8)

Substituting (5) into (8) we have:

Ts-Ta = To-Ta + ag [ (rg/ra) (To-Ta) - (rg/rv) (Tv-To) ] + (1-ag) (Tv-To) (9)

For bare soil ag = 1 and rv → ∞.Thus:

Ts - Ta= (1+ rg/ra) (To - Ta) (10)

If the canopy is fully closed ag = 0. This yields :

Ts - Ta=(To - Ta) + (Tv - To) (11)

that is, the measured surface temperature Ts is equal to the foliage temperature Tv, but Tv is notnecessarily equal to To.

Arranging equation (9)we have :

Ts - Ta = (To - Ta) [1+ag (rg/ra)]+ [1 - ag -ag (rg/rv) (Tv - To)] (12)

Using the concept of equivalent resistance, ra*, equation(4) can be written as:

ρ Cp (To - Ta) / ra= ρ Cp (Ts - Ta) / ra* (13)

Substituting (12) into (13) we have:

( ) ( )T T

r

T Tr

rT T a a

r

r

ro a

a

o a

g

av o g g

g

v

a

− =− +

+ − − −

1 1

*(14)


FIGURE 2

h, LAI,w

B

station

image

NOAA

image image

ET

image

Rn

T

T

image

B

s

Landsat

Tv, Ta, Tg

u , Rnd/Rni

To

meteorological

ra , rv, rg

a


The equivalent resistance ra*can be expressed as a function of individual resistances as:

ra*=ra 1 1 1+ + −−

− −

a

r

r

T T

T Ta

r

rg

g

a

v o

o ag

g

v

(15)

Using the equivalent resistance concept, daily evapotranspiration can be obtained from theexpression (Jackson, 1977) (Hurtado, 1994a):

ETd = Rnd* - B (Ts-Ta)i (16)

where ET is the actual evapotranspiration (mm), Rn* = Rn / L is the net radiation expressed inmm of water (mm), (Ts-Ta) is the temperature difference between crop surface and air (K). Thesubscripts d and i indicate daily and instantaneous at midday values respectively. B is asemiempirical coefficient, which mean value is given by:

B = (Rnd / Rni) < ρ Cp / ra* > (17)

where ρ is air density (kgm-3), Cp the specific heat of air at constant pressure (Jkg-1K-1), ra* is theequivalent ground-vegetation-atmosphere system (sm-1), and L the latent heat of vaporisation ofwater (JK-1). The symbol<> means the average value over the growing season of the crop. Theratio Rnd/Rni is reasonably constant for clear days, we have used 3 years for calculating thismean value.

So, evapotranspiration is estimated from net radiation measured at a meteorological stationand (Ts-Ta)i where Ts is obtained from the satellite overpass coinciding with the approximatetime of daily maximum temperature, i.e., at about 13.00-14.00 solar time, and Ta from the dailymaximum value of the meteorological shelter.

For applying equation (16) in an operative way we need previously to calculate the B valuesusing climatic parameters (u, Rnd/Rni), crops parameters(h, LAI, w), and handheld radiometricsurfaces temperatures (Tv, Ta, Tg). From these values and using a crop map elaborated fromLandsat TM images by means a classification technique, we can obtain a B map. Afterwards weneed a procedure for evaluating surface crop temperature from thermal NOAA-AVHRR images.Finally we need some meteorological parameters like Ta and Rn. Figure 2 shows the differentsteps that must be followed to apply this methodology.

The temperature from the satellite sensor is transformed into ground surface temperature byapplying atmospheric and emissivity corrections by means of a split-window method (Coll,1994). To combine NOAA and Landsat images The NOAA pixel must be transformed at Landsatsize when the geometric correction is performed (Hurtado 1994b).

RESULTS

We have applied this methodology to the Barrax area (Albacete, Spain) where irrigated cropscover completely the soil and to the Tomelloso area (Ciudad Real, Spain)where the main cropsare wine, sparse crops. In both zones evapotranspiration can be obtained with reasonable


precision (0.8 and 0.9mmday-1). In the first place a single layer model can be used while in thesecond one for obtain a similar precision a more complex two layer model must be applied.

BIBLIOGRAPHY

Bolle, H.J. and Langer, I. 1991. Echival Field Experiment in a Desertification-Threatened Area(EFEDA). Field Experiment Plan. Meteorological Institute, Free University of Berlin, Germany.

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Hurtado, E., Caselles, V. and Artigao, M.M. 1994. Mapping actual evapotranspiration by combininglandsat TM and NOAA AVHRR images in the Barrax (Albacete) region, Spain. Societé françaisede photogrammétrie et télédétection(137) 47-49.

Jackson, R.D., Reginato, R.J. and Idso, S.B. 1977. Wheat canopy temperature:a practical tool forevaluating water requirements .Water Resour. Res. (13). 651-656.

Kustas, W.P. 1990. Estimates of evapotranspiration with a one and two dimensional model of heattransfer over partial canopy cover. J. Appl. Meteorol. (49). 135-153.

Shuttleworth, J.and Wallace, J.S. 1985.Evaporation from sparse crops-an energy combinationtheory.Q.J.R. Meteorol. Soc.(111) 839-855.

Shuttleworth, J.and Gurney, R. 1990. The theoretical relationship between foliage temperature andcanopy resistance in sparse crops.Q.J.R. Meteorol. Soc.(116) 497-519.


Reconstitution de chroniques de donnéeshydrologiques anciennes par télédétection

RESUMÉ

Les images satellite SPOT sont utilisées pour la caractérisation des plans d’eau sahéliensen zones de mauvaise connaissance cartographique. Une première partie montre commentgénérer une information sur la cubature des plans d’eau par mélange d’informations detélédétection (surfaces en eau), climatologie (évaporation) et connaissance du relief de lazone (forme régionale pour les courbes de cubature). La méthode proposée est simple etopérationelle. Elle devient économiquement intéressante lorsque plusieurs plans d’eau sontprésents dans la même image. Une deuxième partie utilise cette information de cubaturepour définir le volume stocké à un instant donné à partir de toute image d’archives. Lesparticularités hydrologiques des plans d’eau sahéliens permettent d’en déduire deschroniques annuelles sur les apports. Une application concrète est montrée au Niger.

ABSTRACT

SPOT images are used to characterize small Sahelian lakes, in areas with bad cartographicdata. In the first part, the volumetric curves representing lakes are generated through amethod that mixes remote sensing images (water areas), climatological data (evaporation)and relief information (regional adjustments for the volumetric curves). This method issimple and operational and becomes economically useful when various lakes are withinthe same SPOT image frame. In a second part, the volumetric curves are used to get dailyvolume information from every archival image. Due to the Sahelian hydrologicalspecificities, these volumes can be transformed into chronicles of yearly amounts of water.The application concerns Niger.

INTRODUCTION

Depuis bientôt trois décennies, le changement climatique associé à la croissance démographiqueet à la dégradation des terres ont profondément altéré les conditions de vie au Sahel.

De nombreuses organisations internationales, nationales ou régionales (CIEH, CILSS,ORSTOM) ont étudié le problème de la sécheresse au Sahel pour décider d'actions propres à enatténuer les conséquences. Une difficulté rencontrée est l'insuffisance, voire le manque, dedonnées sur les ressources naturelles de cette région, et plus spécialement sur les ressources eneau.

Abdou Ousmane, Ministère de l’hydraulique et de l’environnement,Direction des ressources en eau, Niamey, Niger

Session 3 : Reconstitution de chroniques de données hydrologiques anciennes par télédétection312

Les futurs plans impliquant l'utilisation des ressources en eaux de surface, en particulier pourl'irrigation, devraient accorder une place de choix aux nombreuses mares et bas-fondsactuellement peu ou mal exploités.

Axes de convergence préférentiels des eaux de ruissellement et des écoulementshypodermiques, les bas-fonds représentent aux yeux des paysans sahéliens une ressourceéconomique grandissante. En effet, ces populations peuvent y développer une production desécurité pendant la saison sèche ; cependant une gestion optimale des ressources requiert laconnaissance des potentialités hydriques des différents sites.

Face aux difficultés d'investigation liées à la collecte des données (lenteur, éloignement dessites) la télédétection associée à des données exogènes peut constituer une alternative viable. Danscette optique, l'objectif de cette étude est d'utiliser les connaissances acquises en matière degestion de l'environnement sahélien grâce à la télédétection pour construire les courbes defonctionnement des mares et reconstituer des chroniques de données hydrologiques anciennes,notamment sur des mares du Niger n'appartenant pas au réseau national d'observationhydrologique.

Cet article met en évidence les deux étapes de cette détermination à partir de la télédétection :d'une part il montre la détermination de la courbe hauteur-volume et sa précision, déjà l'objetd'une étude précédente (Piaton et Puech, 1992), d'autre part il présente un aspect nouveau portantsur l'utilisation combinée de cette courbe et des images satellite pour reconstituer des chroniquesanciennes.

Nous espérons ainsi contribuer à consolider les acquis de la banque de données hydrologiquesen vue d'une meilleure maîtrise des eaux de surface dans ce Sahel déjà fortement éprouvé.

CARTOGRAPHIE DES PLANS D'EAU PAR TÉLÉDÉTECTION

Hydrologie des plans d’eau sahéliens

La particularité hydrologique des plans d'eau sahéliens est de présenter, pendant la saison sèche,une baisse régulière du niveau d'eau qui a des conséquences intéressantes pour sa gestion.

En l'absence de tout apport et de tout écoulement aval, la mare constitue en effet un systèmehydrique isolé, les éléments principaux de son bilan étant l'évaporation, l'infiltration etéventuellement l'utilisation à des fins pastorales, agricoles ou humaines. Pendant les neuf mois desaison sèche où la mare est isolée, son évolution est conditionnée par les termes du bilan et par laforme de la cuvette, généralement présentée sous forme de courbe hauteur-surface (ou hauteurvolume). Cette courbe est alors l'instrument obligé pour la gestion des mares, et sa connaissanceest primordiale : elle permet de prévoir le devenir du plan d'eau au cours des mois à venir (gestionde la mare pour la saison en cours). Elle permet aussi de définir toute valeur de volume, cote ousurface du plan d'eau à partir de celle d'un jour quelconque de la saison : dès lors toute imageancienne (photo, satellite) définissant la surface en eau à une date précise est porteuse d'uneinformation hydrologique sur la saison correspondante, ce qui autorise la reconstitution dechroniques.

L'équation du bilan hydrique d'un plan d'eau peut être la suivante :


DW = EC + P - EV ± K -C (1)

où DW est la variation de volume, P la pluie, EC l'écoulement à l'aval, EV l'évaporation, Kl'infiltration et les échanges avec la nappe phréatique, C les consommations diverses.

Au cours de la saison sèche (octobre à mai), les termes P et EC sont nuls. Pour une mare nonaménagée, C est nul. Par ailleurs, le terme K infiltration est souvent négligeable devantl'évaporation qui atteint facilement plusieurs millimètres par jour. L'équation de bilan se réduitalors pendant la saison sèche à :

DW = - EV (2)

La baisse du niveau n'est donc sujette qu'à l'évaporation. C'est bien ce que l'on observe sur lesplans d'eau qui présentent, au cours des neuf mois de saison sèche, une évolution de niveaurégulière et parallèle d'une année à l'autre sur toute la zone sahélienne (Grésillon, 1976 ;Chevallier, 1985 ; Pouyaud, 1989 ; Piaton et Puech, 1992).

Cette particularité permet de relier facilement d'une part date et niveau (équation de bilan),d'autre part date et surface (données de télédétection). Ainsi, à partir de trois images de la mêmesaison sèche aux dates T1, T2 et T3 on calcule les surfaces S1, S2 et S3 tandis que les baisses deniveau correspondantes H1-H2 et H2-H3 sont estimées d'après les données locales d'évaporation(et éventuellement d'hypothèses sur l'infiltration)

Extraction de l’eau sur images satellite

Les images satellite nous servent dans cette phase à définir des surfaces en eau. La précision decette détermination conditionne son utilité.

L'eau pure présente une grande facilité de séparation des autres corps du fait de sa faibleréflectance dans le canal proche infrarouge. Toutefois, dans le Sahel, l'utilisation d'indices devégétation permet de lever les incertitudes. Le repérage d'un plan d'eau devient alors aisé dès quesa taille dépasse plusieurs pixels contigus.

La détermination de sa surface se heurte à plusieurs types d'erreur :

• erreurs liées à l'utilisation de la télédétection elle-même :∗ du fait de l'angle de prise de vue du satellite (en visée oblique) qui introduit un effet de

déformation de la taille du pixel en fonction des conditions de prise de vue. Cet effet a étécorrigé sur les images utilisées (correction de niveau 1B des images SPOT);

∗ du fait de la présentation en mode "raster". L'identification d'une surface par des pixelsintroduit une erreur d'autant plus appréciable que la taille du pixel est grande par rapport àla taille du plan d'eau. Joannès et al. ont trouvé une erreur de 10% pour un carré d'unhectare délimité sur image SPOT (Joannès et al. 1986);

• erreurs liées au milieu physique :∗ la présence au Sahel d'herbes aquatiques de bord de mare peut cacher les limites du plan

d'eau et rend impossible la détermination précise des contours (Joannès et al. 1986).Toutefois, une étude du Cemagref a noté la faible présence de telles herbes sur le site quinous intéresse (Piaton et Puech, 1992).


Méthode de calcul de surface

Parmi les nombreuses méthodes applicables pour déterminer une surface, nous avons utilisé lafenêtre polynomiale (Piaton et Puech, 1992), méthode simple et précise. Cette méthode proposede minimiser l'incertitude de localisation d'un contour par équilibrage statistique des pixels malclassés. En effet, l'examen des histogrammes des radiométries pour les thèmes eau et terre révèle,pour les mares sahéliennes, des allures gaussiennes. Si l'on extrait des fenêtres polygonales autourde chaque plan d'eau telles que les populations eau/ terre soient sensiblement de mêmeimportance, l'histogramme de répartition des radiométries devient bimodal et symétrique. Laradiométrie du minimum est alors un bon choix pour la séparation eau/terre.

L'incertitude de localisation d'un contour peut être exprimée à travers une bande d'incertitudeéquivalente, de largeur l, courant tout autour de l'objet "plan d'eau". L'erreur relative affectant lasurface est alors exprimable par l*P/S, où P est le périmètre et S la surface du plan d'eau. Lacomparaison avec les mesures de terrain permet de chiffrer cette erreur : par la méthode proposée,la largeur de la bande d'incertitude l est de l'ordre du demi pixel, ce qui conduit à une erreurrelative inférieure à 5% pour un plan d'eau compact (quasi circulaire) de 10 hectares (Piaton etPuech, 1992).

L'erreur diminue ensuite, de façon inversement proportionnelle à la surface.

Construction des courbes hauteur-surface et hauteur-volume

Pour le calcul de ces courbes à partir d'informations satellitaires, la grande difficulté est ladétermination du niveau absolu du plan d'eau. Cette difficulté peut être contournée en remarquantque, pour les plans d'eau sahéliens, le relief est très plat. Les cuvettes présentent alors une grandestabilité de forme. Grésillon (1976) et d'At de Saint Foulc (1986) ont analysé un grand nombre deces plans d'eau et proposent d'exprimer la courbe moyenne reliant hauteur et surface sous laforme :

S = So*(H-Ho)à (3)

S étant la surface du plan d'eau (ha), So la surface du plan d'eau à 1 mètre de profondeur (ha), Hle niveau d'eau et Ho le niveau d'assèchement. à représente un paramètre de forme, lié au relieflocal. Il oscille entre 1.1 et 1.3.

Le choix d'une valeur moyenne pour à (à=1.2) est alors totalement légitime dans le contexte.Il constitue une équation supplémentaire qui permet de résoudre complètement le système (Piatonet Puech, 1992) en donnant les deux inconnues So et Ho.

Enfin, l'intégration de l'équation (3) donne la courbe hauteur-volume :

V = So/(à+1)*(H-Ho) à+1 (4)

L'incertitude sur la surface est inférieure à 5% pour des plans d'eau de taille supérieure à 10ha soit 30% pour les volumes correspondants. Cette incertitude correspond à des mesuresbeaucoup plus grossières que celles effectuées par voie bathymétrique. Mais, si d'une part elle estsuffisante pour tester des scénarios de gestion des plans d'eau dans le cadre d'un schémadirecteur, d'autre part l'approche par télédétection fournit rapidement cette estimation pour tous


les plans d'eau présents sur les images. La solution par télédétection devient alorséconomiquement justifiable du fait de sa rapidité et de son systématisme pour toute une région.Elle est beaucoup plus difficile à justifier pour l'étude d'un seul plan d'eau.

Reconstitution de chroniques hydrologiques

La reconstitution de chroniques hydrologiques se base sur les constatations faites sur la gestiond'un plan d'eau. Dans le système isolé que constitue le plan d'eau sahélien au cours de la saisonsèche, la connaissance de son état à une date quelconque permet de définir cet état pendant toutela saison depuis le 1er octobre (date moyenne de début de saison) jusqu'à fin mai, (date moyennede fin de saison).

Pour cela il faut deux types d'informations :

• la courbe hauteur-surface quelle que soit son origine : elle peut être obtenue comme indiqué auparagraphe précédent ou venir de mesures bathymétriques au sol;

• une image du plan d'eau pendant la saison sèche à une date quelconque et sur quelque supportque ce soit : photographies aériennes anciennes ou images satellitaires.

Partant d'une image quelconque à la date T, l'estimation de la surface S(T) du plan d'eaupermet d'abord de définir la hauteur H(T) et le volume V(T) correspondants. Puis, par sommationdes évaporations journalières depuis octobre E(10,T) et jusqu'en mai E(T,6) on en déduit ce quisuit :

• au 1er octobre précédentniveau en octobre H10= H(T) + E(10,T)volume en octobre V10 = So/(à+1)*(H10-Ho) à+1

• au 31 mai suivantniveau en mai H6= H(t) - E(T,6)volume en mai V6 = So/(à+1)*(H6-Ho) à+1

Remarquons que l'on peut introduire dans le calcul de l'évaporation des correctifs tenantcompte d'infiltrations dans le cas où celles-ci seraient considérées comme non négligeables.

On peut considérer que le volume estimé au 1er octobre V10 est représentatif de l'apport de lasaison des pluies à condition que le plan d'eau n'ait pas débordé, sinon V10 sera une estimationpar défaut. La liste de ces V10 constitue déjà une chronique utile du remplissage du plan d’eau.

L’estimation rigoureuse de l'apport volumétrique au cours de la saison des pluies n’est paspossible car il manque beaucoup d’informations :

• sur les déversements éventuels (dates et volumes déversés),

• sur l’évolution temporelle du plan d’eau, nécessaire pour un calcul correct de l’évaporation encours de saison,

• sur les dates du minimum et maximum (qui ne sont pas les 31 mai et 1er octobre) ainsi que lesvolumes correspondants.


FIGURE 1Détermination du volume de plans d’eau en début de saison sèche. Image SPOT XS Région de Tillabéry, Niger. 19 novembre 1990.


En première approximation, en supposant à la fois l’absence de déversement et unremplissage régulier du plan d’eau en mai et septembre la valeur d’apport serait :

Vi= V10i+1 - V6i + E(6,10)

où V10i+1 est le volume au 1er octobre, V6i le volume au 31 mai précédent, et E(6.10) la sommedes évaporations journalières au cours de la saison des pluies.

APPLICATION

Nous avons appliqué cette méthode aux quatre plans d'eau principaux de la zone d'étude. En unpremier temps nous avons défini les courbes hauteur-surface-volume à partir de trois images de lasaison sèche 1988-89.

Les résultats bruts (dates et surfaces en eau) sont donnés dans le tableau 1. L’ajustement aumodèles (3) et (4) conduit aux paramètres du tableau 2.

L'analyse de sept images du satelliteSPOT recueillies entre 1988 et 1992,nous a permis ensuite de repérer pourchacun de ces plans d'eau sa surface à ladate considérée d'où l'on déduit h et V(profondeur et volume à cette date), puisles volumes au 1er octobre et au 31 maiencadrant cette date.

La figure 1 montre l'exploitation del'image du 13.11.1990 pour trois plansd'eau (N°6bis, 6ter et 17).

1. On définit sur l'image les surfaces des plans d'eau, respectivement 149.2, 116.7, et 116.3 ha;

2. Les courbes caractéristiques de ces plans d'eau fournissent alors les hauteurs d'eau (2,97 m,2,39 m, 2,25 m,) et les volumes (2 003, 1 232 et 1 154 103m3) à la date de l'image.

3. L'évaporation utilisée est donnée par la formule de Penman pour l’eau libre (albédo 0.10) avecles données climatologiques du poste le plus proche : Tillabéry. Une étude préalable (Monier,1991) a précisé la nécessité d'emploi d'un coefficient correctif égal à 1.18 pour obtenir defaçon cohérente les évaporations sur plans d'eau dans la zone d'étude. Ainsi, entre le 1er

octobre et le 13 novembre 1990, on estime que le plan d'eau a baissé de 27 cm. D'où l'ondéduit h10, respectivement (3,24, 2,66 et 2,52 m)

4. Il ne reste plus qu'à transformer la cote h10 en volume à la même date soit (2 430, 1 570 et1 500 103m3)

L'exploitation pour définir le volume au 31 mai est semblable. Le tableau 3 montre les diversrésultats pour chaque année étudiée, ce qui permet d’avoir des estimations hydrologiques sur cinqannées successives.

TABLEAU 1Surfaces estimées sur images SPOT

n° 6bis N° 6ter N° 17 N° 2229.10.1988 169.8 143.7 146 43.304.01.1989 132.2 107.9 111.9 27.313.03.1989 113.8 86.4 85.9 13.6

TABLEAU 2Coefficients des courbes hauteur-surface-volume

n° 6bis N° 6ter N° 17 N° 22S0 (ha) 40 39 42 28V0 (103m3) 181 173 187 126


Dans l'hypothèse que le plan d'eau n'aitpas débordé pendant la saison des pluies, onen déduit un ordre de grandeur du volumedes apports de la saison en rajoutant la partévaporée à la différence entre les volumesestimés en fin et début de saison des pluies(tableau 4).

CONCLUSION

Nous avons montré ici les possibilitésd'apport de l'imagerie par satellite pour lagestion et la reconstitution de chroniques deplans d'eau en zone sahélienne. La formesurfacique des informations internes auximages constitue une mémoire très riche desévénements qu'il convient d'exploiter aumieux et qui peut prendre tout son intérêtdans le contexte sahélien où les donnéescartographiques et hydrologiques sont peunombreuses.

La reconstitution de chroniques hydrologiques fournit des ordres de grandeur des volumes etil ne faut pas exiger une précision extrême : les valeurs obtenues dépendent d'une série de calculs,approximations et hypothèses, qui ne permettent pas une exploitation précise. Elles peuventtoutefois être très précieuses comme complément aux données déjà acquises sur le terrain. Dansle cas particulier des plans d'eau qui nous intéressent, l’utilisation de ces informations de volumesécoulés peut permettre un meilleur lien avec les caractéristiques physiques et climatologiques desbassins versants étudiés.

BIBLIOGRAPHIE

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Grésillon, J.M. 1976. Petits barrages en terre en Afrique occidentale. EIER. Ouagadougou. 120p

Joannès, H., Parnot, J., Rantua, F. et Sow, N.A. 1986. Possibilité d'utilisation de la télédétection dansle domaine de l'eau en Afrique . CRTO - CIEH Ouagadougou, Série hydrologie. 141p

Monier, T. 1991 Méthode d'utilisation des images satellitaires SPOT pour le suivi et la gestion desplans d'eau au Sahel. Rapport de spécialisation en gestion des eaux . EPFL. Lausanne Montpellier.74 p.

Piaton, J. et Puech, C. Apport de la télédétection pour l'évaluation des ressources en eau d'irrigationpour la mise en valeur des plans d'eau à caractère permanent au Niger. LCT/ CIEH. 80 p

Pouyaud, G. 1989. Contribution à l'évaporation de nappes d'eau libre en climat tropical sec.ORSTOM. Coll. Etudes et Thèses. 254 p.

TABLEAU 3Volumes estimés dans les plans d'eau endébut et fin de saison sèche (103m3)

N°/date n° 6bis N° 6ter N° 17 N° 221/10/871/06/88 sec sec

96025 sec

1/10/881/06/89

2870720

2070360

2030310

370sec

1/10/891/06/90

2700640

1750250

1920275

270sec

1/10/901/06/91

2430555

1570200

1500160

340sec

1/10/911/06/92

40501320

2360470

1980300

230sec

TABLEAU 4Ordre de grandeur des volumes d'apports aucours de la saison des pluies (103m3)N°/date n° 6bis N° 6ter N° 17 N° 22

1988198919901991

308528354735

224020903050

316525052020450

450540395


Estimation of real evapotranspiration

ABSTRACT

Remotely sensed surface temperatures (i.e., radiative surface temperatures) have beenwidely used in estimating spatially distributed energy balance equation components. Thegeneral approach consists of estimating the sensitive heat flux and available energy frommicrometeorological and optical/thermal infrared remotely sensed data. Actualevapotranspiration is then derived as the residual term of the one-dimensional energybalance equation.

While this approach has been found to be successful over surfaces with near full canopycover with unstressed transpiration, its performance has been questioned over sparselyvegetated surfaces. The problem is that over such heterogeneous surfaces, remotely sensedsurface temperature cannot be assimilated to aerodynamic surface temperature which isthe quantity needed to formulate convective flux. One operational solution is to relateempirically remotely sensed radiative surface temperature to aerodynamic surfacetemperature. This solution is limited by the fact that it is site-specific. The objective of thisstudy is to test the performance of a method using data taken over a semi-arid site inArizona. Comparisons between measured and remotely sensed surface energy fluxes ispresented. Finally, the principle of a new and robust approach of using remotely senseddata will be outlined.

RESUMÉ

La mesure de température radiative de surface est largement utilisée pour une estimationdistribuée des éléments de l’équation de bilan d’énergie. L’approche générale consiste àestimer le flux de chaleur sensible et l’énergie disponible à partir de données micro-météorologiques et d’images de télédétection en infrarouge thermique.L’évapotranspiration réelle est alors estimée par le terme résidu dans l’équation de bilan.

Bien que cette approche ait été appliquée avec succès sur des zones à canopée fermée etavec une transpiration sans stress hydrique, ses performances sont remises en cause enzone de végétation éparse. Le problème vient de ce qu’en de telles zones hétérogènes, latempérature de surface télédétectée ne peut être assimilée à la température aérodynamiquequi est la quantité entrant dans la formulation du flux convectif. Une solution opérationelleconsiste à relier la température de surface télédétectée à la température aérodynamique.Cette solution est limitée par le fait qu’elle est spécifique du site d’étude.

A. Chehbouni, ORSTOM, Départ. TOA, Montpellier, France J. Qi, USDA-ARS, Water Conservation Laboratory, Phoenix, Arizona, USA

D. Lo Seen, CIRAD-CA, Maison de la Télédétection, Montpellier, FranceY.H. Kerr and G. Dedieu, CESBIO, Toulouse, France

S. Moran, USDA-ARS, Water Conservation Laboratory, Phoenix, Arizona, USAM. Daubas, CESBIO, Toulouse, France

B.M. Monteny, ORSTOM, Départ. TOA, Montpellier, France

Session 3 : Estimation of real evapotranspiration320

L’objectif de cette étude est de tester la performance de la méthode sur un site semi-aridede l’Arizona. Des comparaisons entre les flux d’énergie mesurés et estimés partélédétection sont présentées. Finalement, le principe d’une approche nouvelle et robusteutilisant la télédétection est esquissé.

INTRODUCTION

Recently, increased emphasis has been placed on understanding the interaction between regionalclimate and the hydrological cycle in arid and semi-arid regions (Kustas et al., 1991; Goutorbe etal., 1993). Accurate partitioning of available energy into sensible and latent heat flux is crucial tothe understanding of surface-atmosphere interaction. However, this is very difficult in arid andsemi-arid regions because neither the soil nor the vegetation totally dominates the exchange ofwater and heat with the atmosphere. The relative contributions to total sensible and latent heatflux from the soil and plant components may vary throughout the day and throughout the season.

Thermal infrared remotely sensed surface are increasingly being used in operational models toevaluate the spatial variation in the energy balance components. While this approach has beenfound to be successful over surfaces with near full vegetation cover, its performance has beenquestioned over sparsely vegetated surface. The problem has been that over partial coverconditions, the assumption that consists of assimilating aerodynamic surface temperature toremotely sensed surface temperature is not valid. Over such surfaces, the difference betweenradiative and aerodynamic temperatures can reach 10 to 15oC (Chehbouni et al., 1996a).

The objective of this analysis is to investigate the extend to which remotely sensed data in thevisible, near-infrared, and thermal infrared in conjunction with ancillary meteorological data andone dimensional energy balance model for surface fluxes estimation in arid and semi-arid area.Data collected during Monsoon’90 experiment have been used. The advantage and limitations ofthis approach are investigated. Finally, a principle of new and robust approach of using remotelysensed data will be outlined.

MODELLING

Available energy

Net radiation (Rn) , which represents the balance of short and long wave radiation reaching andleaving the surface can be expressed as :

R R T Trn s s a a= − + −( ) ( )1 4 4α ε ε σ σ

where Rs is the incoming short-wave radiation, σ is the Stephan-Boltzmann constant (Wm-2

K-4), and εs is the surface emissivity; εa is the sky emissivity defined as: εa = 1.24(ea/Ta)1/7,

where ea and Ta are air vapour pressure and air temperature respectively. Tr is radiative surfacetemperature and α is the surface albedo which was derived from red and NIR surface reflectanceas :

α = 0.526 red + 0.474 NIR


where red is the surface reflectance in the red band and NIR is the surface reflectance in the near-infrared band.

The soil heat flux (G) is a significant component of net radiation in arid and semi-arid region.Field observations provide real evidence for a direct relation between Rn and G. It has been foundthat for bare soil, the relationship between Rn and G depends on the surface soil moisture, whilefor vegetated surface, the ratio G/Rn can be obtained from visible and near-infrared reflectance.In this analysis G was formulated in terms of the Modified Soil Vegetation index (MSAVI) as:

G

RMSAVI

n= −0 50 2 13. exp( . )

where MSAVI (Qi et al., 1994) is defined as:

MSAVIred NIR

red NIR AA= −

+ ++( )1

where A is a self adjusting factor defined to adapt the soil noise correction to the proportion ofsoil seen by the sensor. A is given by the expression :

ANIR red

NIR redred NIR= − −

+−1 2 1 06( . )

In this study we have considered MSAVI as the vegetation index to use since it was found tobe less sensitive to soil brightness variations including shadows than other spectral vegetationindices (Chehbouni et al., 1994). This is of importance since the contribution of bare soil to scenereflectance is very significant for partially covered surfaces.

Sensible and latent heat flux

From a theoretical view point, sensible heat flux should be expressed in terms of aerodynamicsurface temperature since it is aerodynamic temperature which determines the loss of sensibleheat flux from a surface. Aerodynamic surface temperature is defined as the extrapolation of airtemperature profile down to an effective height within the canopy at which the vegetationcomponents of sensible and latent heat flux arise, say (d +zo’), where zo’ is the roughness lengthfor heat, and d is the zero-plane displacement height assumed to be the same for heat and formomentum (Kalma and Jubb, 1990). The problem is that the estimation of the roughness lengthfor heat ( zo

’ ) is not trivial over sparsely vegetated surfaces. To overcome this difficulty, it hasbeen suggested that one can consider that the exchange of heat and moisture between the surfaceand the atmosphere takes place at an effective level located at the same height as the effectivesink of momentum i.e. level d+zo, which corresponds to the level where the logarithmic profiletakes its surface value (zero). Then a new aerodynamic surface temperature can be defined as theextrapolation of air temperature profile down to this level. Sensible heat flux can be thenformulated as:

H CT T

rp

o a

a= −

ρ

where ρ is the air density (kg m-²), cp the specific heat of air at constant pressure (J kg-1 K-1),ra (sm-1) is the aerodynamic resistance, calculated between the level of the apparent sink for


momentum and the reference height. Ta (°C) is the air temperature at a reference height (z) abovethe surface, and To (°C) is the aerodynamic surface temperature defined above.

Since aerodynamic temperature cannot be directly measured, it is often replaced by radiativetemperature (Tr) in the formulation of sensible heat flux. The problem is that the derivation ofexchange coefficient from Monin-Obukhov similarity theory does not apply when the surfaceradiative temperature is used instead of aerodynamic temperature in the surface heat fluxformulation. Under dense canopy, the difference between aerodynamic and radiative surfacetemperatures is very small, which leads to small errors in heat flux prediction. Over sparselyvegetated surfaces, however, the difference can exceed 10 °C, as a result the sensible heat fluxcan be largely overestimated.

The approach suggested by Chehbouni et al. (1996a-b) consists of formulating a relationshipbetween aerodynamic and radiative surface temperature, and they then defined the coefficient βas:

β = −−

T T

T T

o a

r a

Numerical simulations (Chehbouni et al., 1996a) have shown that the multitemporalbehaviour of the coefficient β through the growing season is compared to the variation of LeafArea Index, which leads to a parameterization of the coefficient β with respect to LAI as:

β =− −1

1exp( / ( ))L L LAI

where L is an empirical factor that was set by least squares regression to a value of 1.5(Chehbouni et al., 1996a). Previous studies have indicated that a modified Beer’s law expressioncan accurately describe the general relationship between vegetation index and LAI (Asrar et al.,1984). In this analysis, an exponential type relationship was used to obtain LAI from remotelysensed MSAVI as:

MSAVI LAI= − −0 88 0 78 0 6. . exp( . )

By combining the last three equations, sensible heat flux can be expressed in terms of oneremotely sensed surface temperature, MSAVI , and air temperature.

Finally latent heat flux can be formulated as the residual term of the energy balance equationas:

LE Rn G H= − −

For the remaining of the paper surface fluxes estimated as described above will be calledremotely sensed surface fluxes.


EXPERIMENTAL DATA

Location and site description

The Monsoon '90 multidisciplinary field campaign was conducted over the U.S. Department ofAgriculture's Agricultural Research Service Walnut Gulch experimental watershed insoutheastern Arizona (31° 43'N, 110°W) during the summer of 1990 (see Kustas et al., 1991,and Kustas et Goodrich., 1994). The main objective of the experiment was to investigate thepotential of using multispectral remotely sensed data in conjunction with hydrological models toquantify spatial and temporal variability of surface energy and water fluxes in arid and semi-aridregions. The study sites were located in an area comprising the upper 150 km2 of the WalnutGulch drainage basin and situated about 1300 m above mean sea level..

The annual precipitation in this region ranged from 250 to 500 mm/yr, with approximatelytwo thirds of the rainfall occurring in the monsoon season (July-August). The surface soil texturewas mainly sandy loam with high fraction of rocks. The vegetation in the western half of thewatershed was shrubs dominated, while the eastern half is grass dominated. The analysis in thispaper is limited to the shrub dominated site (Lucky Hills), where spatial heterogeneity betweenshrub clumps and adjacent bare soil was higher (Kustas and Goodrich, 1994). The shrubs wasabout 0.6 m height and covering about 0.26 % of the surface (see Weltz et al., 1994). Thesurface leaf area index was about 0.3-0.4 which implies that the clump leaf area index of theshrubs ranged between 1.15 and 1.54.

Surface measurements

The four components of the energy balance equation used in this study were measured using a 2m tall roving eddy correlation tripod : ROVEC. Net radiation was measured with a REBS Q6 netradiometer at a height of 1.6-1.7 m. The soil heat flux was measured using a soil heat flux plates(MELCOR, CP 1.4-71-06-L). Latent and Sensible heat flux were measured with the eddycorrelation method, using a single axis sonic anemometer, a krypton hygrometer, and a 12.7 mm-diameter thermocouple, all manufactured by Campbell Scientific, Inc. Measurements of wind,humidity and temperature fluctuations at 2 m height were made at 10 Hz, and 10 mn means wereused to compute covariances.

In addition to those measurements, the four components of the radiation budget were takenwith Eppley Precision Spectral Pyranometers (PSP) and Precision Infrared Radiometers (PIR).The PIRs were equipped with thermistors to measure dome and case temperatures so that themeasured long-wave radiation could be corrected for temperature gradients between the dome andcase. Vapour pressure gradients were determined by measuring dew-point temperature at twoheights using Campbell Scientific, Inc. single-cooled-mirror hygrometer. The measuring heightswere 1.25 m and 2.25 meters above the soil surface. Air is alternately drawn through intakes ateach height and routed to the cooled mirror; a single pump aspirates the system. Air temperaturewas measured at the same two, heights, using 76 mm diameter unshielded non-aspirated chromel-constantan thermocouples. In addition to these measurements, soil surface temperature wasmeasured using an Everest Interscience (IR) sensor, model 4000 with a 15° filed of view,mounted 2 m above the soil surface. At this height the sensor viewed an area of bare soil about0.45 m in diameter. Canopy temperature was measured with an Everest Interscience IR sensormodel 110 or model 4000 with a 3° field of view. It was mounted about 30 cm above the top ofthe canopy. Since no measurement of the shaded soil temperature was made, it was assumed forthis analysis that shaded soil temperature is the average of the temperature of the unshaded soil


FIGURE 1Comparison between measured and remotely sensed net radiation

FIGURE 2Comparison between measured and remotely sensed soil heat flux


and the canopy. However other formulations for deriving soil under the shrubs temperature werealso tested. Wind speed was measured at 1.25 and 2.25 m above the soil surface using photo-chopper anemometers with a threshold of 0.2 ms-1. These sensors were samples at 10 secondsintervals and the data averaged over 20 minute periods. For this study, all the data were averagedover one hour periods.

Additionally, ground-based surface reflectances were measured from a height of 2 m abovethe ground surface, using yoke-based radiometers (Exotech with spectral filters covering bleu,green, red and NIR) and a calibrated reflectance panel (See Moran et al., 1994a,b). These datawere taken over a ground target of approximately 120 m by 120 m in size, during several day ofthe experiment. For this study red and NIR reflectances were used to compute short wave albedo,and the vegetation index .

RESULTS

Data described above has been used to estimate surface energy balance components during 13days (DOY 209 to DOY 221). Comparison between observed and remotely sensed net radiationis presented in Figure 1. In general, net radiation estimation compared well with the observations( RMSE of about 50 Wm-2 ). However, there is a slight discrepancy which may be due to thelimitation of the expression used to estimate incoming long wave radiation under cloudy skyconditions (Brutsaert, 1975).

Figure 2, is a comparison of the data-derived and the model- derived soil heat flux. TheRMSE was about 40 Wm-2 for values ranged between 0 and 250 Wm-2. It must be emphasizedhowever that the expression between Rn and G used here is developed for clear sky conditionsonly. Furthermore, this expression does not take into account the time lag between G and Rn(Moran et al., 1994). additionally, it may be possible that the relationship between net radiationand soil heat flux does not depend only surface type (bare versus vegetated surface) but alsodepends on the distribution of the vegetation within the surface (Chehbouni et al., 1996c). Thesereasons may explain the scatter between measured and remotely sensed soil heat flux.

In Figure 3, eddy correlation based sensible heat flux is compared to that estimated usingremotely sensed surface temperature and vegetation index. The model tends to underestimate Hwhen measured values ranged from 50 to 150 Wm-2. This may be due to the error associated withthe formulation of β coefficient or to that associated with the estimation of LAI from MSAVIwhich does not take into account the effect of solar angle variation. However, the root meansquare error (RMSE) between observed and simulated sensible heat was about 44 Wm-2 formeasured values ranged between 0 to 300 Wm-2. Additional studies are needed to test theuniversality of β parameterization, and to investigate how the L parameter changes withvegetation type and structure.

Figure 4 presents a comparison between measured latent heat flux and that obtained as theresidual term of the energy balance equation. The model estimates of latent heat flux arereasonable, the RMSE is about 54 Wm-2.


FIGURE 3Comparison between measured and remotely sensed sensible heat flux

FIGURE 4Comparison between measured and remotely sensed latent heat flux


CONCLUSION

It can be argued that the simplicity of this approach combined with the availability of remotelydata, makes this approach very attractive for operational monitoring of surface fluxes in arid andsemi-arid areas. The major problem with this approach is that the relationship between remotelysensed variables and those needed for process formulation are empirical. In this regard, suchrelationships are site specific. This represents a major handicap for generalizing such approach.Furthermore, if one always needs to redo calibration for each individual site, one can legitimatelychallenge the effectiveness of this approach. One alternative approach of using remotely senseddata for quantitative purposes could be to combine SVAT type model with radiative transfermodel. The principle of this method is to use the SVAT output such as surface temperature andsoil moisture as input to radiative transfer models. The radiative transfer models will simulate ina given waveband the spectral signature of the surface as it can be observed by a remote sensor.By minimizing the differences between measured and simulated remote sensing variable, on canassume that the resulting surface fluxes are correct. This approach is certainly more robust, but itneeds accurate SVAT and radiative transfer models, which are not readily available at this time.

ACKNOWLEDGEMENTS

Thanks to Dr. D. Stannard and Dr. D. Nichols for providing us with the data. Thanks to T. Valero forhis comments. Funding for this study was provided by French PNTS and ORSTOM. The Data used herewere taken during the Monsoon '90 Experiment: NASA Interdisciplinary Research Program in the EarthSciences (IDP 88-086). The first author was supported during the experiment by the NASA EarthObserving Program (NAGW2425). The authors are particularly grateful to USDA-ARS personnel inTombstone for their support during the experiment.

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Modèles hydrologiques

Hydrological models

Session 3330


Télédétection et prévision des crues :l’exemple du fleuve Gambie

RESUMÉ

Parmi les nombreuses possibilités offertes par la télédétection figure la détermination duniveau d’eau à partir de l’imagerie radar. L’avènement de satellites ayant à leur bord desradars altimétriques (Geosat, Seasat, Eros-1, et plus récemment TOPEX/Poseidon), apermis aux hydrologues de mesurer les niveaux d’eau à la précision du centimètre.L’entrée d’un modèle de propagation est généralement constituée par les débits.Cependant, sur une section stable, suffisamment large, avec une courbe de tarageunivoque, le débit peut être obtenu à partir du tirant d’eau H, que l’on peut relier auxniveaux d’eau grâce aux échelles de crue. La méthode de prévision que nous allonsprésenter est basée sur l’utilisation des tirants d’eau ou des niveaux d’eau comme donnéesd’entrées. Elle permet de calculer la hauteur à l’échelle en une station donnée, connaissantla hauteur à l’échelle en une autre station située en amont, en supposant vérifiéel’hypothèse de l’onde cinématique, et en s’inspirant de la méthode des caractéristiques.Compte tenu de la difficulté d’intégrer les caractéristiques hydrauliques et géométriquesdu cours d’eau et de la section, on utilise une approche stochastique, basée sur de longuesséries d’observations de niveaux. Une application est faite sur le bief Kédougou-Mako dufleuve Gambie.

ABSTRACT

Remote sensing techniques offer many opportunities to hydrological sciences. One of theseis the estimation of water surface levels by using radar imagery. Satellites with radaraltimeters (Geosat, Seasat, Eros-1, and the recent TOPEX/Poseidon) on board allowhydrologists to measure river levels within a centimetre with frequent repeat cycles.Hydraulic model inputs are generally discharges, but remote sensing techniques cannotdirectly estimate these discharges. When a river is wide enough, and has a stable section-discharge relationship, discharges can be estimated from measurements of river levelsusing a radar altimeter. In this paper, we develop a flood forecasting method using riverlevels as inputs based on the kinematic wave model and the characteristics method. Sincehydraulical and geometrical features of the river are always changing, a stochasticalapproach is preferred, using a long sequence of river level measurements between twostream gauging stations. Application of this method is made on the Gambia River,between Kédougou and Mako.

Soussou Sambou, Université Cheikh Anta Diop,Faculté des sciences, Département de physique, Dakar, Sénégal

Jean-Pierre Lamagat, ORSTOM HYDROCONSULT, Montpellier, France

Session 3 : Télédétection et prévision des crues : l’exemple du fleuve Gambie332

INTRODUCTION

Les modèles hydrauliques de prévision des crues utilisent comme entrées soit les hauteurs àl’échelle de crue, soit les débits. S’il est impossible d’obtenir les débits directement à partird’informations obtenues par télédétection (Schultz, 1996), on peut par contre les calculer à partirdes niveaux d’eau, que l’on peut aisément relier aux échelles de crues. Ceci suppose bien entenduune station de jaugeage stable, avec une courbe de tarage univoque. Les niveaux d’eau peuventêtre mesurés à partir de satellites grâce aux radars altimétriques (Birkett, 1994) et ainsi êtreintroduits comme entrées dans un modèle de prévision des crues. Dans ce qui suit, nous allonsprésenter une méthode de prévision des crues qui utilise les hauteurs à l’échelle comme entrées.

DIFFÉRENTES MÉTHODES DE PRÉVISION DES CRUES

La prévision des crues sur un cours d’eau peut être faite de plusieurs manières:

• soit en résolvant les équations hydrodynamiques générales à l’aide d’un schéma de résolutionnumérique approprié (Cunge et Wegner, 1964; Thirriot, 1960; Abbot1975);

• soit en simplifiant les équations hydrodynamiques générales à la lumière des conditionsnaturelles de l’écoulement;

• soit en utilisant uniquement l’information entre deux biefs amont et aval (Habaieb, 1987;Sambou,1989).

Les deux premières approches se heurtent au caractère fortement non linéaire des phénomènesqui régissent l’écoulement tel qu’il se produit dans les conditions naturelles, et à la déterminationdes caractéristiques hydrauliques du lit, qui peuvent varier en cours de crue, et d’une crue àl’autre. La dernière approche ne fait pas intervenir l’information entre les deux biefs.

Dans cet article, on part du modèle de l’onde cinématique issu des équationshydrodynamiques de base; en utilisant des hypothèses simplificatrices justifiées par lesconditions naturelles d’écoulement, on fait intervenir la méthode des caractéristiques, pourdéterminer les expressions théoriques des équations horaires et des équations de compatibilité.Ces équations permettent de calculer respectivement les temps de transfert correspondant auxhauteurs à l’échelle amont et les hauteurs à l’échelle aval correspondant aux hauteurs à l’échelleamont pour un retard égal au temps de transfert. Les expressions théoriques ainsi obtenues fontintervenir les caractéristiques géométriques et hydrauliques du cours d’eau. Ces quantités varientd’une crue à une autre, et au cours de la même crue, de sorte que l’intégration des équationsobtenues se fait très difficilement. Pour pallier cet inconvénient, une approche mixte stochastiquea été utilisée, qui est basée sur la dépendance existant entre les hauteurs aux échelles amont etaval. On utilise des échantillons de grande taille pour déterminer les expressions empiriques deslois horaires et des équations de compatibilité. Les essais ont été menés sur les fleuves à plained’inondation (Lamagat, 1987; Thirriot, Sambou, et Lamagat, 1991; Morel-Seytoux et Lamagat,1993) et sur la partie amont du fleuve Gambie (Lamagat et al., 1987).

Nous présentons ici la méthode appliquée au bief Kédougou-Mako. Les résultats obtenus sontsatisfaisants et peuvent être étendus à l’ensemble du cours d’eau. Ainsi présentée, cette méthode,qui utilise comme entrées du modèle les niveaux d’eau, peut servir d’exemple d’application de latélédétection à la prévision des crues, les niveaux d’eau pouvant être obtenus à l’aide de radaraltimétrique.


CADRE PHYSIQUE

Le bassin du fleuve Gambie s’étend sur une superficie de 77 100 km2 entre 11,5° et 15° delatitude Nord et 11° et 16,5° de longitude Ouest. Il se répartit entre les Etats de la Guinée, de laGambie, du Sénégal et dans une certaine mesure de la Guinée-Bissau.

Le bassin comprend quatre zones d’altitude décroissante du Sud au Nord (Lamagat et al.,1987) (fig. 1) :

• le haut-bassin, au Sud de la bordure Nord du Fouta Djallon en République de Guinée, où lefleuve prend sa source, à 1 125 m d’altitude;

• une deuxième zone entre le parallèle 12° N et la frontière du Sénégal où l’altitude est compriseentre 250 m et 600 m, le relief étant moins marqué;

• une zone comprise entre le confluent du Diahra et la frontière de la Guinée, englobant entreautres les collines Bassari;

• la zone maritime ou bassin inférieur ( en aval de Wassadou amont).

En amont de Goulombo, le réseau hydrologique est très dense. Le fleuve est formé parl’association de nombreux petits cours d’eau à pente très forte dont le plus important est laDjimma. Entre Kédougou et Mako il reçoit sur la rive droite le Diaguéry. Après Mako, leTiokoye, puis le Diahra viennent successivement se joindre à lui côté rive gauche; sur sa rivedroite, peu avant Siminti, il reçoit le Niokolo-Koba. Après le Gué de Wassadou, il reçoit leNiériko sur sa rive droite et le Koulountou, son affluent le plus important rive droite. Peu avantGouloubou vient se jeter le Niaoulé. Le fleuve a une longueur totale de 1 180 km, dont 500 kmsont influencés par la mer et 200 km constituent le cours supérieur.

Sur le plan climatique, le bassin de la Gambie se trouve dans la zone de climat tropical, danslaquelle on distingue deux zones: la zone sahélienne au Nord, avec une saison des pluies pluscourte, et la zone guinéo-foutanienne à hivernage plus pluvieux et plus long. L’alternance dessaisons sèches et pluvieuses conditionne le régime hydrologique du fleuve: une période de hauteseaux pendant l’hivernage et une période de basses eaux pendant la saison sèche.

DONNÉES DE BASE

Les données utilisées dans cette étude proviennent du Service hydrologie du Ministère del’hydraulique du Sénégal. Il s’agit des hauteurs moyennes journalières, des débits moyensjournaliers et des courbes de tarages. Les cartes ont été pour l’essentiel extraites de lamonographie du fleuve Gambie.

MÉTHODE D’ANALYSE

Les modèles de propagation des crues sont basées sur le système hyperbolique complet deséquations de Saint-Venant:


FIGURE 1Bassin du fleuve Gambie


∂∂

∂∂

Q

X

S

tq+ = (I-1)

( )∂∂

∂∂

∂∂

V

TV

V

Xg

H

Xg I J+ + = − (I-2)

La résolution numérique de ce système peut être faite de plusieurs manières, notamment parles différences finies implicites (Cunge et Wagner, 1964 ) et la méthode des caractéristiques(Thirriot, 1969a). Elle nécessite une description topographique détaillée et précise, ainsi que laconnaissance des caractéristiques hydrauliques et géométriques du cours d’eau. La résolutionanalytique peut être menée, à condition de faire des approximations, concernant en particulierl’évaluation des termes de perte de charge, en linéarisant autour du régime porteur, qui peut êtresoit l’écoulement uniforme, soit une courbe de remous (Thirriot, 1994; Benyada, 1995)

Dans le cas de l’écoulement naturel, compte tenu de la difficulté d’évaluer les paramètres déjàénumérés, on peut procéder à des simplifications de l’équation dynamique d’une part ennégligeant les termes d’inertie si la pente est élevée et, d’autre part, en supposant à chaqueinstant que l’écoulement est uniforme (Thirriot, 1969b). Moyennant ces deux importantesapproximations le système [I] s’écrit :

∂∂

∂∂

Q

X

S

Tq+ = [II-1]

I J= II-2]

En prenant comme variable fondamentale le tirant d’eau H l’équation [II-2] s’écrit:

Q= I f(H) (1)

où

f(H)=kR SH

m ≈

+

kS

B

m

m

1

est la débitance au sens de Bakhmeteff, S la section de l’écoulement, B

la largeur au miroir et k le coefficient de rugosité du lit. S et B sont reliés par:

dS=BdH (2)

Par ailleurs, on a :

S=S(H,X) (3)

B=B(H,X) (4)

I=I(X) (5)

k=k(X) (6)

(3) et (4) permettent d’écrire:

∂∂

∂∂

∂∂

∂∂

S

X

S

X

S

H

H

XH X

=

+

(7)


∂∂

∂∂

∂∂

∂∂

B

X

B

X

B

H

H

XH X

=

+

(8)

Il vient, en dérivant (1) par rapport à X , en tenant compte des relations 2 à 8 et enremplaçant dans [II] la relation (9) ci-dessous:

( ) ( )∂∂

∂∂

H

X C H

H

Xg H+ =1

(9)

par :

( ) ( )C H k Is

Bm m

S

B

B

H

m

H

=

+ −

1 2

∂∂ (10)

( )( ) ( ) ( )

( )g H

q k IS

B

Ln I

X

Ln k

Xk I

S

Bm

S

Xm

S

B

B

X

k IS

Bm

S

Xm

S

B

B

H

m

m

m

H H

m

X

=− +

−

+

−

+

−

+1 1

21

1

∂

∂

∂

∂∂∂

∂∂

∂∂

∂∂

(11)

En utilisant la méthode des caractéristiques, et en posant H=H(X,T), on a:

∂∂

∂∂

H

X

H

T

d T

d X

d H

d X+ = (12)

En identifiant (9) et (12), on obtient après arrangement:

( )dT

dX C H= 1

(13)

( )dH

dXg H= (14)

En intégrant les équations différentielles ci-dessus on obtient:

( )T Td X

C HX

X

1 00

1= + ∫ équation horaire (15)

( ) ( ) ( )H X T H X T g H d XX

X

1 1 0 00

1, ,= + ∫ équation de compatibilité (16)

L’intégration est théoriquement possible, si les expressions analytiques des fontions C(H) etg(H) sont connues, ou si on peut les déterminer de façon empirique. Mais ceci va être difficilepuisque ces fonctions font intervenir les caractéristiques hydrauliques k(X), I(X), m etgéométriques S(H,X),B(H,X),H(X,T) de la section. Ces caractéristiques varient d’un bief à unautre, et au cours de la crue. Nous allons contourner cet inconvénient en utilisant une approchestochastique basée sur des échantillons de niveaux journaliers de grandes tailles, comportant denombreuses années d’observation. Nous allons choisir à la station amont une tranche de hauteurscomprises dans l’intervalle (H, H+∆H), observées à des instants i. A ces hauteurs on va fairecorrespondre des hauteurs à la station aval observées à des instants i+t. Pour chaque valeur de t


on calcule le coefficient de corrélation ρ(t) entre les hauteurs amont et aval ainsi définies, et ontrace le corrélogramme défini par l’ensemble des points (t, ρ(t)).

La valeur t0 de t correspondant au maximum du corrélogramme est la valeur la plusprobable du temps de propagation correspondant à la moyenne H0m des hauteurs de l’échantillonamont (H, H+∆H). La moyenne des hauteurs aval correspondant aux hauteurs amont décaléesd’un délai égal à t0 est associé à H0m. Cette opération est menée sur l’ensemble des hauteurs del’échantillon; les courbes empiriques obtenues représentent respectivement les équations horaireset les équations de compatibilité.

APPLICATION

La méthode ci-dessus a été appliquée au fleuve Gambie, sur le bief Kédougou-Mako. Les donnéesde base sont les hauteurs moyennes journalières observées à l’échelle de ces stations.L’échantillon utilisé dans l’étude comprend cinq années, 1975,76,77,78, 80. Les trois premièresannées ont servi à déterminer les fonctions empiriques T(H1) et H2(H1) représentantrespectivement l’équation horaire et l’équation de compatibilité. Les deux dernières ont servi detest. Les figures 2 et 3 représentent respectivement, pour le bief Kédougou-Mako, les courbesexpérimentales correspondant aux équations horaires et de compatibilité. Ces courbes obéissentaux relations empiriques ci-dessous:

( )T HH

= 394391 688. avec T en jours H en cm (17)

( )H H H H220 007 12281 10185= − + −. . . H2 et H en cm (18)

La prévision a été faite en utilisant ces deux courbes de la manière suivante:

• pour une hauteur amont Hm(i) observée à la date i, on utilise la relation (17) pour déterminerle temps de propagation jusqu’à l’aval correspondant, soit t0.;

• à partir de la relation (18) on calcule la hauteur aval correspondant à la hauteur amont, avecun décalage t0, soit à la date i+t0.

Les résultats obtenus pour les deux années de test sont représentés sur les figures 4 et 5. Bienentendu, les prévisions se font à des délais n’excédant pas le temps de transfert, ce qui exclut laprévision à long terme. Par ailleurs, un examen attentif de ces graphes met en évidence unamortissement du maximum calculé par rapport au maximum observé, ainsi qu’un légerdéphasage dans le temps. Ces deux inconvénients peuvent s’expliquer par la taille de l’échantillonutilisé qui est assez faible, de sorte que pour les valeurs extrêmes on a peu d’observations.

CONCLUSION

Les progrès récents de la télédétection permettent, grâce à l’utilisation de radars altimétriquesmontés sur des satellites, de déterminer les niveaux d’eau à des points donnés d’un cours d’eau.Ces radars altimétriques mesurent la distance entre la surface du sol et la position orbitale dusatellite; l’élévation de la surface du sol peut être obtenue à partir d’un ellipsoïde deréférence.(Kite et Pietrorino, 1996).


FIGURE 2Courbe horaire

FIGURE 3Bief Kédougou-Mako : courbe de correspondance amont-aval


FIGURE 4Simulation de l’hydrogramme de 1978

FIGURE 5Simulation de l’hydrogramme de 1980


Brakenridge et al. (1994), ont combiné les données topographiques au 1:24 000 àl’information obtenue à l’aide du radar SAR monté sur ERS-1 pour mesurer les niveaux d’eau.La précision est cependant moins bonne que celle des mesures de niveau obtenues in situ (Hall,1996). La méthode de prévision des crues que nous venons de présenter utilise comme entrées lesniveaux observés en une station stable, univoque du cours d’eau. Elle peut donc, de ce fait, êtreutilisée de concert avec l’information obtenue à partir des radars altimétriques montés sursatellites dans un système de prévision des crues.

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Estimation des crues des petits bassinsafricains : réflexion sur l’utilisation de la

télédétection

RESUMÉ

Une analyse statistique effectuée sur un jeu de données de crues d’une série de bassinsversants africains étudiés par l’ORSTOM permet de mettre en évidence certaines variablesexplicatives des fonctions de production et de transfert. Fondée sur une sélection sévèredes données les plus pertinents, cette analyse montre l’effet positif de la végétation surl’infiltration en région sahélienne. Dans les régions plus humides (Afrique tropicale), oùla végétation est dense, c’est la densité de drainage qui explique le mieux les différencesd’écoulement entre les bassins versants : les crues sont plus volumineuses lorsque ladensité de drainage est élevée. Une analyse comparable effectuée au sujet des vitesses detransfert révèle les effets de la densité de drainage et de la pente sur la forme deshydrogrammes.

Parmi un grand nombre de variables candidates, les plus explicatives sont donc lavégétation, la densité de drainage et les pentes. Elles sont toutes déterminées trèsapproximativement dans les démarches classiques. Les outils d’observation de l’espacedoivent apporter des informations beaucoup plus fines pour caractériser chacune d’elles.C’est le défi que la télédétection satellitaire et les autres moyens d’observation de la terredoivent relever pour améliorer nos connaissances hydrologiques.

ABSTRACT

A statistical analysis was carried out with flood data collected by ORSTOM functions on aseries of catchments in Africa. It made it possible to identify the variables explaining lossand transfer. The study shows that infiltration is correlated with vegetation in saheliancountries. In humid regions (tropical Africa), where vegetation density is high, thedrainage density becomes the most important variable: floods are stronger when drainagedensity is high. A similar analysis is done for flood routine velocity. It shows that theshape of the hydrographs is a function of drainage density and slope.

Classical methods give very rough estimates of each of these variables, vegetation,drainage density and slope. Earth observation tools can provide a much more accurate wayof assessing these variables. It is the main challenge remote sensing faces in order tocontribute to a better understanding of hydrological processes.

J.M. Grésillon, Laboratoire d’étude des transferts en hydrologie et environnement, Grenoble;Centre de développement des géosciences appliquées,

Université Bordeaux, Talence, France

Session 3 : Estimation des crues des petits bassins africains342

INTRODUCTION

Pour qui a connu la difficulté d’évaluer les débits des crues des petits bassins versants en Afrique,la necessité d’en améliorer la connaissance ne fait aucun doute. Certains ouvrages de génie civil(barrages, routes) sont en effet emportés par des crues d’une violence qui paraît improbable.D’autres sont équipés d’évacuateurs de crues qui s’avèrent fortement surdimensionnés. En dépitde progrès réalisés dans les méthodes disponibles pour l’évaluation des crues (Rodier et Auvray,1965; Puech et Chabi, 1984), l’incertitude des estimations reste grande et le surdimensionnementsystématique des ouvrages semble encore la seule protection, encore qu’économiquementdésastreuse, contre les caprices des cieux (Grésillon et al., 1979).

Face à cet échec relatif (et provisoire?) des ingénieurs et des chercheurs, des apports enconnaissances nouvelles sont nécessaires. En effet l’arsenal des outils hydrologiques actuellementdisponibles semble avoir atteint ses limites et il faut désormais nous tourner vers des moyens decompréhension nouveaux. Font partie de ces moyens l’analyse fine des processus et, de façonplus opérationnelle, les outils d’observation et d’analyse de ces processus par télédétection. Mêmesi la prise en compte des aspects spatiaux sur les bassins versants n’est pas encore très bienmaîtrisée, certaines approches encourageantes autorisent un optimisme relatif.

On développe ici une étude statistique sur les crues décennales des petits bassins versantsd’Afrique, fondée sur une analyse de données sévère. L’objectif de cette étude statistique est dedéfinir quelles sont, parmi les grandeurs géomorphologiques caractérisant un bassin versant,celles qui sont réellement importantes du point de vue de leurs conséquences sur les crues. Nousverrons d’une part qu’il ne s’agit pas forcément de celles escomptées et d’autre part que desmoyens d’information géographique tels que la télédétection peuvent apporter une contributionsignificative et irremplaçable à leur évaluation.

LA BASE DE DONNÉES

Afin d’analyser le rôle hydrologique sur les crues des différentes grandeurs géomorphologiquesdéfinissant un bassin versant, nous utilisons un jeu de données recueillies par l’ORSTOM sur unensemble de cent bassins « représentatifs et expérimentaux ». Ceux-ci contiennent environ 250sous-bassins couvrant une zone géographique étendue allant du Sud du Sahara (Mali, Mauritanie,Niger, Tchad) jusqu’à l’équateur et au-delà dans l’hémisphère Sud (Congo, Gabon). (Dubreuil,1972).

Pour chaque bassin, cette base de données fournit des informations de nature géologique,géomorphologique, pluviométrique, mais aussi des observations hydrologiques d’où sont extraitesdes estimations de paramètres hydrologiques relatifs aux événements rares.

Caractéristiques pluviométriques et géomorphologiques

Parmi les caractéristiques pluviométriques et géomorphologiques relevées par l’ORSTOM,nous avons sélectionné les suivantes:

• la superficie S,• la pente Ig définie comme l’indice global de pente (Roche),


• la densité de drainage Dd (rapport de la longueur du réseau hydrographique à la superficie dubassin),

• la pluie moyenne interannuelle P donnant une indication sur le régime des pluies et donc sur leclimat, elle peut également être considérée comme un descripteur approché d’un taux decouverture végétale,

• la pluie décennale journalière du lieu P10 .

D’autre grandeurs, comme l’indice de compacité ou les dimensions du rectangle équivalent,ont été écartées de cette étude parce qu’elles se sont révélées peu pertinentes en tant que variablesexplicatives du comportement hydrologique.

Observations hydrologiques

Les observations hydrologiques enregistrées par l’ORSTOM consistent en particulier en une séried’événements averses-crues remarquables sur chaque bassin. Par ailleurs, l’ouvrage de Dubreuil(1972) fournit pour chaque bassin un hyétogramme et un hydrogramme associé; il s’agit engénéral de l’événement le plus important observé, ou bien, si la pluie qui l’a provoqué est de troplongue durée, d’un épisode « unitaire » (durée de la pluie faible par rapport à celle de la montéede la crue ou, au minimum, à celle de la crue). Sur cet épisode, nous avons mesuré le temps demontée de la crue tm et son coefficient de récession, c’est-à-dire le coefficient DS définissant lavitesse de décroissance exponentielle du débit après la pointe de crue (Q = Q0 . exp(-DS*t)). Pourl’épisode en question, nous avons noté et calculé pour chaque bassin:

• la durée en heures DP de cet épisode pluvieux,• le rapport RA entre le total pluviométrique de l’épisode et celui qu’il aurait fallu saisir pour

qu’il s’agisse d’une pluie capable de créer une crue de fréquence décennale. On a déterminécette dernière à partir de la pluie décennale de 24 heures du lieu, P10, du temps de montée tm,considéré comme la durée de pluie la plus forte pour un bassin versant, d’une loi de Montana(n=0.12 dans cette région), et d’un abattement spatial A fonction de la superficie du bassin(formule de Vuillaume, 1974). De cette manière :

RA = Pobs / A.P10.(tm/24)0.12.

Ce rapport RA joue le rôle de critère d'extrapolation des données hydrologiques et on peut s’enservir pour la sélection des bassins selon l’importance de cette extrapolation (si RA # 1l'extrapolation est faible, si RA # 0 l'extrapolation est forte).

Paramètres hydrologiques de fréquences décennales

Pour chaque bassin ayant fait l’objet d’observations, les grandeurs hydrologiques suivantes sontdéduites par les hydrologues de l’ORSTOM :

• le débit maximum instantané décennal de crue Q10,• le coefficient d’écoulement de cette crue Ke10,• le temps de montée tm10, le temps de base tb10 de cette même crue.

Ainsi, au débit instantané de fréquence décennale sont associées des grandeurs hydrologiquesde fréquences décennales, telles que coefficient d’écoulement, forme d’hydrogramme, etc. Bienque toutes les variables hydrologiques soient indépendantes, on admet ici qu’une situation


médiane prévaut sur chaque bassin à l’occasion de la crue exceptionnelle, et on accepte donc lanotion de paramètres hydrologiques de fréquence décennale associés aux débits instantanés demême fréquence (générés par des « crues décennales »).

RELATIONS ENTRE CARACTÉRISTIQUES HYDROLOGIQUES ET GÉOMORPHOLOGIQUES

Corrélations simples entre les variables

L’analyse des corrélations entre les variables hydrologiques repose sur 96 bassins de superficieinférieure à 400 km2, prélevés dans le recueil des données ORSTOM (Dubreuil 1972) (1), pourlesquels l’ensemble des variables est disponible. La couverture géographique de ces bassins(tableau 1) s’étend depuis le Nord du Sahel jusqu’aux régions équatoriales (valeurs extrêmespour la pluie interannuelle: 95 mm et 2 500 mm).

TABLEAU 1Répartition géographique des bassins retenus pour l’étude corrélative

Pays Bénin Camer Congo Côted’Iv.

Gabon Burkina Mali Maur Niger Centrafr.

Tchad Togo

Nbrebassins

6 9 7 20 2 11 5 5 10 2 12 7

Le tableau 2 donne la matrice des corrélations simples entre les logarithmes des variablespluviométriques, géomorphologiques et hydrologiques de ces 96 bassins. Les variables ont le sensdéfini auparavant, tm, DS, RA et DP étant relatifs à l’épisode de plus forte importance observé surchaque bassin.

TABLEAU 2Matrice des corrélations simples entre les logarithmes des variables pluviométriques,géomorphologiques et hydrologiques.

S Dd Ig Pan P10 Ke10 tm DS RA DP Q10

S 1Dd -0.19 1Ig -0.64 0.35 1

Pan 0.10 -0.24 0.19 1P10 0.12 -0.22 0.15 0.93 1

Ke10 0.01 0.38 -0.06 -0.29 -0.34 1tm 0.77 -0.38 -0.55 0.37 0.37 -0.09 1DS -0.73 0.44 0.55 -0.33 -0.35 0.15 -0.89 1RA 0.08 -0.03 -0.12 -0.15 -0.14 0.06 -0.11 -0.03 1DP -0.52 0.23 0.46 -0.08 -0.06 0.00 -0.72 0.58 0.33 1Q10 0.60 0.34 -0.29 -0.20 -0.20 0.66 0.17 -0.09 0.14 0.13 1

La très forte corrélation (r=0.93) entre la pluie interannuelle P et la pluie décennale de 24heures P10, signifie que ces deux grandeurs sont redondantes. La pluie décennale P10 ayant étéutilisée comme entrée pour l’estimation de Q10, il est préférable de conserver P, qui ne risque pasd’améliorer artificiellement les corrélations.

Une autre corrélation très forte (-0.89) est celle qui relie le temps de montée tm et lecoefficient de récession DS. On constate d’ailleurs que ces deux grandeurs sont liées de manièretout à fait parallèle à toutes les autres variables. Elles apportent donc la même information. Lamontée des eaux, qui intervient en général pendant les pluies, est probablement plus sensible à ladurée de la pluie qui la provoque que le coefficient de récession qui paraît donc préférable. Le


tableau 2 confirme d’ailleurs que tm est fortement dépendant de la durée de la pluie DP(coefficient de corrélation -0.72), tandis que DS l’est moins (r=0.58).

Les autres liaisons importantes unissent à la superficie du bassin S le temps de montéecomme le coefficient de récession ainsi que la pente Ig. Ces liaisons sont fortes et incontestables;elles ne peuvent provenir que d’un lien physique réel: le temps de montée est une fonctioncroissante de la taille du bassin (respectivement le coefficient de récession est une fonctiondécroissante de cette même taille). Enfin, les pentes des bassins diminuent lorsque leurs taillesaugmentent.

Selon ces corrélations, deux variables seulement apparaissent comme réellement explicativespour le débit décennal de pointe estimé Q10 , ce sont la superficie du bassin S et le coefficientd’écoulement Ke10. Ces corrélations traduisent peut-être la démarche suivie pour évaluer Q10

dont la valeur a probablement été obtenue en faisant intervenir le produit S.Ke10.. Néanmoins, cesont des grandeurs indispensables pour une bonne estimation des débits de crues. La première estrelativement simple d’accès tandis que la seconde est très délicate à apprécier. Les démarchescourantes consistent à juger de ‘l’infiltrabilité’ des sols selon une appréciation qui fait intervenirprincipalement la nature des sols. Nous analyserons plus loin quelles grandeurs jouent un rôle surce coefficient d’écoulement.

Une amélioration de l’analyse passe par la distinction entre deux régimes climatiques.

Comparaisons des zones climatiques sahéliennes et tropicales

Le tableau 3 fournit les valeurs moyennes et écarts-types des variables hydrologiques etgéomorphologiques Q10, Ke10,, tm et DS. Il compare aussi ces mêmes statistiques dans deux zonesclimatiques séparées par la pluviométrie moyenne interannuelle de 1 000 mm (zone tropicalehumide pour P > 1 000 mm et tropicale sèche ou sahélienne pour P < 1 000 mm).

TABLEAU 3Statistiques des principales caractéristiques hydrologiques sur les 96 bassins.

Q10 (m3/s) Ke10 (%) tm (heures) DS (heures-1)

Nbre. debassins

Val.moy.

Ecart-type

Val.moy.

Ecart-type Val.moy.

Ecart-type

Val.moy.

Ecart-type

Tous les bassins 96 68.2 70.0 31.7 17.7 4.28 4.5 0.78 0.87Bassins pour lesquels

P<1000 mm39 94.0 80.0 37.6 16.9 2.4 2.6 1.2 1.1

Bassins pour lesquelsP>1000 mm

57 50.5 55.8 27.6 17.3 5.6 5.0 0.5 0.5

Pour toutes ces grandeurs, les différences entre les valeurs moyennes mesurées sur les deuxcatégories de régions sont hautement significatives (au seuil de 1%). Ce sont les temps de montéetm et les coefficients de récession DS qui sont les plus significativement différents. Ceci confirmela pertinence de la distinction entre régions climatiques pour les comportements hydrologiques.

Une autre distinction doit être faite pour améliorer l’analyse: celle qui concerne la qualité desestimations des variables hydrologiques.


Tri dans les données et nouvelle comparaison entre les zones climatiques

On écarte désormais les bassins pour lesquels l’épisode maximal observé est faible (RA < 0.8) etoù l’extrapolation des grandeurs hydrologiques a été importante. On écarte également lesquelques rares bassins où cet épisode maximal a été très violent (RA >1.8), qui sont susceptiblesde biaiser aussi les estimations. Dans ces conditions, il ne reste que 42 bassins, dont 25 en régionstropicales humides (P>1 000 mm) et 17 en zones plus sèches (P<1 000 mm). L’ensemble de larégion semble correctement représenté par cet échantillon (tableau 4)

TABLEAU 4Répartition géographique des bassins pour lesquels 0.8<RA<1.8

Pays Bénin Camer Congo Côted'Iv.

Gabon Burkina Mali Maurit. Niger Centr-af.

Tchad Togo

Nbre bassins 2 6 4 6 2 4 1 1 7 - 5 4

Ce tri dans les données a été effectué afin de ne conserver que celles dont la fiabilité estgrande, l’extrapolation effectuée pour les obtenir étant faible ou nulle.

Désormais les statistiques des variables hydrologiques dans les deux zones climatiques sedifférencient encore plus nettement que précédemment, notamment le coefficient d’écoulementKe10 (tableau 5). On en conclut que les extrapolations ont été faites avec un excès de prudencesur les bassins qui n’ont pas subi d’événements violents. Ce nouveau jeu de données paraît doncplus fiable; c’est celui qui nous a servi pour analyser quelles sont les variables explicatives dudébit Q10.

TABLEAU 5Statistiques des variables hydrologiques sur les bassins ayant subi une forte pluie

Q10 (m3/s) Ke10 (%) tm (heures) DS (heures-1)

Nbre. debassins

Val.moy.

Ecart-type

Val.moy.

Ecart-type

Val.moy.

Ecart-type

Val. moy. Ecart-type

Bassins pour lesquelsP<1000 mm

17 101.9 78.1 44.4 18.8 1.4 1.8 1.9 1.1

Bassins pour lesquelsP>1000 mm

25 52.5 58.7 24.3 14.1 3.9 4.0 0.6 0.5

Meilleures corrélations pour expliquer le débit Q10

Pour chaque bassin versant et sur la base des estimations Q10 dont on vient d’examiner leprincipe, Rodier et Auvray (1965) complétés par Rodier et Ribstein (1989), puis repris par Puechet Chabi (1984), ont cherché à établir des corrélations entre Q10 et certaines des caractéristiquesdu bassin décrites ci-dessus. Analytiques ou synthétiques, les démarches consistent toutes àrechercher les groupements de bassins et de variables explicatives autorisant les meilleurescorrélations. La qualité de ces corrélations est variable mais elle est artificielle car elle traduit laforme des relations fonctionnelles qui ont été supposées pour faire l’estimation de Q10 à partird’extrapolations, dans le cas où les bassins n’avaient pas subi d’épisodes très violents (RA <0.8).

En réduisant l’échantillon aux bassins qui ont subi de fortes pluies, nous cherchons à éliminerle biais introduit par l’extrapolation des débits Q10.


Sur cet ensemble de bassins on a recherché les meilleures corrélations multiples permettantd'expliquer Q10 à partir des variables explicatives définies au début.

Les corrélations totales entre les logarithmes des variables (X, Y, etc.) étant presque toutesmeilleures qu'entre les variables elles-mêmes, nous recherchons des corrélations du type:

Q10 = A * Xa * Yb * Zc *, etc.

Toutes les variables énumérées dans la première partie sont prises en considération. Larecherche a été réalisée par régression montante, les variables étant introduites lorsque la valeurdu coefficient de corrélation partielle de Q10 avec cette variable, compte tenu des autres, estsignificative au seuil de 5%.

Les tableaux 6a et 6b donnent les meilleures régressions obtenues de cette manière dans lesdeux régions climatiques que nous considérons. Pour chaque nombre de variables explicativesconsidérées, sont indiqués dans ce tableau :

• l'expression de la relation puissance déduite de la régression multiple entre les logarithmes desvariables. Dans ces relations, Q10 est exprimé en m3/s, S en km2, Ke10 en % et DS en heure-1,

• le carré du coefficient de corrélation multiple (coefficient de détermination) non biaisé de cetterégression, tenant compte de la taille de l'échantillon et du nombre de variables explicativesintroduites,

• le carré du coefficient de corrélation partielle entre Q10 et chacune des variables explicatives,compte tenu des autres.

TABLEAU 6Meilleures régressions multiples pour expliquer Q10

6a: Régions sahéliennes et tropicales sèches (P<1000 mm; 17 bassins).Coef. dedéterm.

non biaisé

Coef. de corrél. partiel au carré entreQ10 et chaque variable explicative, compte tenu

des autres

Régression R2NBentre

Q10 et Sentre

Q10 et DSentreQ10

et Ke10

Q10 = 20.2 * S0.53 0.79 0.79

Q10 = 8.8 * S0.81

* DS0.65 0.95 0.94 0.75

Q10 = 1.34 * S0.77

* DS0.53

*Ke100.54 0.98 0.98 0.86 0.72

6b: Régions tropicales humides (P>1000mm; 25 bassins).

Régression R2NBentre

Q10 et Sentre Q10 et DS entre Q10

et Ke10

Q10 = 0.59 * Ke101.3 0.74 0.74

Q10 = 0.24 * S0.4

* Ke101.23 0.84 0.41 0.81

Q10 = 0.31 * S0.74

* Ke101.03 *DS0.60 0.95 0.83 0.71 0.90

Ainsi l’analyse multivariable après un tri dans les données et en distinguant deux zonesclimatiques permet de faire apparaître DS comme une variable explicative du débit de crue.


Cette variable n’apparaissait pas dans l’analyse en corrélation simple.

Dans les régions sahéliennes et tropicales sèches, l’ordre d’importance des variablesexplicatives est le suivant: la superficie S, le coefficient de récession DS, le coefficientd’écoulement Ke10. En zone tropicale humide, l’ordre est différent: le coefficient d’écoulementKe10, la superficie S, le coefficient de récession DS.

La connaissance des deux variables hydrologiques Ke10 et DS s’avère donc très importantepour l’estimation des crues. Elles nécessitent des mesures hydrologiques délicates et rarementdisponibles aussi avons-nous cherché à savoir quelles sont les grandeurs géomorphologiques quipeuvent les expliquer, autant que possible en dehors de tout biais.

ANALYSE STATISTIQUE DU COEFFICIENT DE RÉCESSION DS ET DU COEFFICIENT

D’ECOULEMENT KE10

L’analyse multivariable des grandeurs Ke10, tm et DS permet de mettre en évidence quelles sontles grandeurs physiques et morphologiques qui les expliquent, mais aussi quelle dépendance ellesont vis-à-vis de la violence des épisodes sur lesquels elles ont été mesurées.

Analyse du coefficient de récession DS

Le tableau 7 donne les coefficients de corrélation partielle (r) entre DS et chacune des variablesexplicatives, compte tenu des autres, pour la meilleure corrélation multiple trouvée. L’étude estfaite en distinguant les deux zones climatiques et en comparant les résultats selon que les bassinsont été triés d'après le critère de l'importance de l'extrapolation des débits (0.8<RA<1.8) ou non.Les variables explicatives retenues sont celles pour lesquelles la valeur du coefficient decorrélation partiel est significative au seuil de 5%. Le carré du coefficient de corrélation multiplenon biaisé R2NB (tenant compte de la taille de l’échantillon) est également indiqué pour chaquecorrélation multiple.

TABLEAU 7Meilleures corrélations expliquant le coefficient de récession DS. Le tableau donne lescoefficients de corrélation partielle, avec leur signe, entre DS et chaque variable, compte tenudes autres, ainsi que le coefficient de détermination non biaisé R2NB.

Nbre. debassins

Variableexpliquée S Dd Ig P RA DP R2NB

P<1000mm39 DS -0.59 0.61 0.38 0.78

P<1000mm0.8<RA<1.8 17 DS -0.62 0.57 0.70

P>1000mm57 DS -0.43 0.41 -0.39 0.54

P>1000mm0.8<RA<1.8 25 DS -0.42 0.64 -0.57 0.61

On peut constater que, dans les régions sahéliennes ou sèches, l’importance de la densité dedrainage Dd apparaît nettement, au point d’égaler celle de la superficie S comme facteurexplicatif. Dans les régions tropicales humides (P > 1000 mm), les grandeurs explicatives ducoefficient de récession DS sont la superficie S et la pente du bassin Ig.

La même analyse effectuée avec le temps de montée tm comme grandeur à expliquer montreune remarquable similitude avec DS. Ce sont les mêmes variables qui interviennent et les


coefficients de corrélation partielle sont voisins. Ceci confirme le jugement énoncé plus haut: cesdeux grandeurs contiennent la même information.

tm et DS étant étroitement corrélés, les formes d’hydrogramme sont donc surtout déterminéespar la taille des bassins et par la densité de drainage dans les régions sahéliennes, et par la tailledes bassins et par les pentes en régions tropicales humides.

Il s’agit dans les deux cas de grandeurs géomorphologiques qui necessitent une analysespatiale. La densité de drainage en particulier est une grandeur délicate à définir car elle peutdépendre beaucoup de la résolution avec laquelle l’information géographique est acquise.

Analyse du coefficient d’écoulement Ke10

Le tableau 8 permet le même type d’analyse avec la variable Ke10.

On constate que la qualité des explications, évaluée par le coefficient de détermination nonbiaisé, R2NB, est fortement améliorée en zone tropicale humide si l’on réduit les échantillons dedonnées aux seuls bassins pour lesquels l’épisode le plus violent enregistré est proche de sonintensité décennale. Cela n’est pas aussi net pour la zone sahélienne, à cause de la réduction dunombre des variables explicatives, qui passe de trois à un lorsque l’échantillon ne contient que lesbassins ayant reçu des épisodes violents.

Si on admet que la qualité de l’estimation de Ke10 est meilleure dans le cas où les épisodesenregistrés ont atteint des valeurs proches de l’épisode décennal, alors l’amélioration de la qualitéde la corrélation peut signifier qu’il existe un lien physique entre Ke10 et ses variablesexplicatives qui n’est pas suffisamment pris en compte dans l’extrapolation effectuée pourestimer sa valeur. On peut donc penser que les coefficients de corrélation qui apparaissent ici nesont pas surestimés.

TABLEAU 8Meilleures corrélations expliquant le coefficient d’écoulement Ke10 . Le tableau donne lescoefficients de corrélation partielle, avec leur signe, entre Ke10 et chaque variable, compte tenudes autres, ainsi que le coefficient de détermination non biaisé R2NB.

Nbre. debassins

Variableexpliquée S Dd Ig P RA DP R2NB

P<1000mm39 Ke10 -0.31 -0.50 0.43 0.27

P<1000mm0.8<RA<1.8 17 Ke10 -0.51 0.26

P>1000mm57 Ke10 0.47 -0.23 0.20

P>1000mm0.8<RA<1.8 25 Ke10 0.75 0.67 -0.50 0.64

Toutefois, le faible pouvoir explicatif des variables disponibles par rapport au coefficientKe10, de même que le rôle important des variables RA et DP sur sa valeur dans le cas de la zonetropicale humide, illustrent la difficulté de l’estimation de ce coefficient d’écoulement.

Néanmoins, on remarque que:

• en zone tropicale humide, la densité de drainage explique pour une grande part le coefficientd’écoulement Ke10: les écoulements sont favorisés par la présence des drains visibles. Pour


comprendre cet effet du réseau, on peut supposer que les apports, en partie souterrains, sontdrainés par le réseau hydrographique tandis que les écoulements rapides sont d’autant plusimportants que les distances aux drains sont faibles. Pour ces bassins très arrosés, les apportsde crues pourraient être dus à la présence de saturation des sols à proximité des rivières. PourKe10 en zone humide, le pourcentage de sa variance expliquée par le seul coefficient dedrainage pourrait être assez élevé, de l’ordre de 50% selon l’échantillon dont nous disposons.Il n’est pas impossible que cet effet de drain soit aussi déterminant que la nature des sols;

• en zone sahélienne et tropicale sèche, c’est la pluie interannuelle qui est la plus explicative.Dans cette région, les coefficients d’écoulement de crue diminuent lorsque P augmente. Lavégétation - dont l’importance croît avec P dans ces régions - s’oppose aux écoulements,probablement parce qu’elle favorise des infiltrations qui ne rejoindront pas la rivière. Al’échelle de temps de l’épisode, les volumes d’apports aux rivières semblent donc dépendre del’infiltration (comportement dit « hortonien »). Malheureusement, en zone sahélienne outropicale sèche, le pourcentage de la variance de Ke10 pouvant être expliqué par la pluiemoyenne interannuelle P, ne semble pas dépasser 25%. Si notre interprétation est juste, P joueun rôle d’indicateur du taux de couverture végétale, qui est responsable de l’importance del’infiltration (avec, bien sûr, d’autres variables notamment pédologiques). Dans cesconditions, il est probable qu’un meilleur marqueur de cette couverture végétale pourraitdonner des informations plus pertinentes pour la détermination du coefficient d’écoulementKe10 . Une vision aérienne et en particulier des images satellite, capables de donner cetteinformation sur la végétation, s’avèrent ici indispensables.

Densité de drainage, pluie moyenne annuelle pour le coefficient d’écoulement, densité dedrainage encore et pente pour le coefficient de récession des crues, telles sont donc les variablesles plus explicatives des crues sur les petits bassins versants d’Afrique.

SYNTHÈSE ET RETOUR À L’UTILITÉ DE LA TÉLÉDÉTECTION

Cette analyse statistique a permis de mettre en évidence des différences dans les variablesexplicatives des crues des régions sahéliennes et tropicales. Ces différences traduisent uneopposition dans les processus d’écoulement dominants qui apparaissent dans les deux régionsclimatiques.

• Les régions sahéliennes, à l’occasion des crues, donnent lieu à des écoulementsessentiellement superficiels. L’infiltration limite les écoulements car, dans ces zonesclimatiques, une eau infiltrée ne rejoint pas la rivière. On sait qu’à toutes les échellesspatiales, la végétation favorise l’infiltration (Grésillon 1994 [7]). La caractérisation d’untaux de couverture végétale s’avère donc nécessaire à l’étude des crues sahéliennes.

• Les régions tropicales sont au contraire densément couvertes de végétation de sorte que,lorsque le sol est sec, toute l’eau de pluie s’infiltre. Le sol est un réservoir que les pluiesdoivent remplir (en début de saison des pluies) avant que les rivières ne voient leurs débitsaugmenter. Lorsque le réservoir sol est plein, des écoulements souterrains apparaissent auvoisinage des rivières et leur fournissent des volumes importants. Les débits véritablementforts n’interviennent que lorsque les sols, totalement saturés, obligent les eaux de pluie àrejoindre la rivière sur des aires saturées qui s’étendent latéralement. L’importance de ladensité de drainage dans les crues tropicales s’explique par le rôle de ces surfaces saturéesdont l’aire est fonction de la longueur des drains visibles.


Taux de couverture végétale et importance des drains visibles sont des grandeurs accessiblespar des procédés cartographiques. Les images satellite ou toute autre forme de télédétection sontdonc nécessaires pour les quantifier.

En ce qui concerne la densité de drainage, on sait que la difficulté de son évaluation tientsurtout au fait que la mesure d’une longueur sur une carte dépend beaucoup de sa résolution: undrain peut être ‘visible’ à l’échelle de 1/1 000 mais pas de 1/25 000 (Puech, 1993 [8]). Les outilscartographiques numérisés doivent permettre de définir une norme à ce sujet, et contribuer àdonner à la densité de drainage en particulier toute son importance.

On connaît d’autre part les capacités des images à caractériser la végétation, notamment dansles canaux correspondant au rouge et à l’infrarouge. Cette aptitude n’a pas encore été trèsexploitée en terme d’hydrologie, notamment parce que les modèles hydrologiques n’ont pasvraiment encore pris en considération cet aspect. Il y a donc un défi à relever pour la télédétectionqui semble tenir le moyen de quantifier une grandeur (taux de couverture végétale) qui apparaîtcomme déterminante en hydrologie des régions sèches ou arides (sahel, certaines zonesméditerranéennes, etc.).

BIBLIOGRAPHIE

Dubreuil. 1972. Recueil des données de base des bassins représentatifs et expérimentaux. Publ.ORSTOM 1972, 916.p.

Grésillon. J.M. 1994. Contribution à l’étude de la formation des écoulements de crue sur les petitsbassins versants. Approches numériques et expérimentales à différentes échelles. Diplômed’habilitation à diriger des recherches, Université Joseph Fourier Grenoble 1994, 154 p.

Grésillon, J.M., Herter, P. et Lahaye, J.P. 1979. Note sur le dimensionnement des ouvragesévacuateurs de crues en Afrique de l’ouest sahélienne ou tropicale. Publ. ministère de laCoopération française, Paris 1979, 75.p.

Puech, C. 1993. Détermination des états de surface par télédétection pour caractériser les écoulementsdes petits bassins versants. Application à des bassins en zone méditerranéenne et en zone tropicalesèche, Thèse de doctorat, Université Joseph Fourier, 214 p.

Puech, C. et Chabi, Gonni. 1984. Méthode de calcul des débits de crue décennale pour les petits etmoyens bassins versants en Afrique de l’Ouest et centrale. Publ. CIEH, Ouagadougou 1984, 91p.

Rodier et Auvray. 1965. Estimation des débits des crues décennales pour les bassins versants desuperficie inférieure à 200 km2 en Afrique occidentale. Publ. ORSTOM, CIEH 1965 30p.

Rodier, J. et Ribstein, P. 1989. Estimation des caractéristiques de la crue décennale pour les petitsbassins versants du Sahel couvrant 1 à 10 km2. ORSTOM, Paris.

Vuillaume. 1974. L’abattement des précipitations journalières en Afrique intertropicale. Variabilité etprécision du calcul. Cahiers ORSTOM Hydrologie, vol XI n°3.



Télédétection et modélisation hydrologique :quelle vision, quelle échelle, quels

processus ?

RESUMÉ

La modélisation hydrologique peut se faire selon divers niveaux d'agrégation, depuis uneapproche globale jusqu'à un schéma très finement distribué. L'utilisation de données issuesde télédétection pose le problème de l'adéquation entre besoins de l'hydrologie (liés auxprocessus de ruissellement) et disponibilités en vision (description de surface). Plusieurséchelles de travail peuvent être utilisées, depuis la globalité du bassin versant en passantpar le versant hydrologique et, bien sûr, le pixel issu des images de télédétection.L'approche spatiale incite à utiliser les tailles les plus fines, mais l'augmentation decomplexité des modèles qui en résulte est souvent sans lien avec la qualité des résultatsnumériques.

Dans une première partie, ce document traite de considérations générales sur l'adéquationentre besoins de la modélisation hydrologique et disponibilités offertes par les images detélédétection, notamment sur l'importance de préserver une cohérence entre vision,processus et échelle, dont le changement peut perturber la validité des modélisations,concepts ou paramètres.

En deuxième partie est présentée une illustration de liaison à travers la cartographie desétats de surface du Sahel effectuée dans le cadre du projet FAO pour la connaissance dedébits. Sont décrits le choix des processus et de l'échelle de travail, le type de résultats etleur qualité ainsi que les problèmes rencontrés pour passer du pixel au bassin versant. Lesécoulements de surface étant prépondérants, nous avons testé une modélisation de lafonction de production locale à l'échelle du pixel SPOT.

ABSTRACT

Hydrological modelling can be done at various scale levels, from global to finelydistributed models. Using remotely sensed data we have to link needs in hydrology (due torunoff processes) with possible viewing (surface description). Various scales are possiblefrom the global basin itself, through sub-basins down to pixel. When using a spatial dataapproach, we are interested in small sizes, but narrower sizes give more complexitywithout better accuracy.

The first section gives general considerations about the links between hydrological needsand remote sensing possibilities, especially on scale dependence for runoff processes andequations.

Christian Puech, Laboratoire commun de télédétection CEMAGREF/ENGREF (LCT), Maison de la Télédétection, Montpellier, France

Session 3 : Télédétection et modelisation hydrologique354

The second section gives an illustration of the mapping of surface features in Saheliancountries carried out under an FAO project. We describe the choice of processes (surfacerunoff as a major process in Sahelian countries), hydrologic scale (pixel), results, qualityand some problems due to scale effects from pixel to the whole catchment.

INTRODUCTION

L'utilisation de données issues de la télédétection pour la modélisation hydrologique conduit àréfléchir sur l'association de deux logiques de représentation du réel : la conception hydrologiqued'une part et la description d'une surface d'autre part.

Ce rapprochement conduit à rechercher une base commune de représentation. Le choix desparamètres communs est délicat puisque la télédétection est limitée à la vision de la stratesupérieure du sol et donc aux seuls paramètres de surface, tandis que les processus deruissellement dépendent aussi des couches inférieures à la surface du sol. Il faut égalementprendre une échelle commune de travail soit le bassin versant dans sa globalité, soit le versanthydrologique ou encore le pixel issu des images de télédétection. Ces choix sont dépendants lesuns des autres.

Chaque utilisation conjointe entre télédétection et hydrologie devra bien les préciser car ils ontdes répercussions sur tout le schéma de modélisation. En particulier on devra définir les objets derecherche communs (versants, sous-bassins) dont le choix est fondamental pour les deuxproblématiques puisque d'une part ils définissent le type de processus hydrologique associé etd'autre part ils imposent un mode de description du terrain.

De grandes difficultés résident donc dans cette association. Pour tenter de mieux les cerner etpour proposer des méthodologies cohérentes, nous exposons tout d'abord quelques éléments deréflexion générale. Un exemple d'application au Sahel permet ensuite de les illustrer dans un casconcret.

MODÉLISATION HYDROLOGIQUE ET TÉLÉDÉTECTION

Schéma général de liaison

Le rapprochement entre les données de télédétection et les modèles hydrologiques passent par desquestions telles que : que voir ? pour quoi faire ?

La première interrogation porte sur la vision des objets telle que peut la donner latélédétection, ce qui peut se traduire par le choix des paramètres à déterminer et celui de leuréchelle d'appréhension.

La deuxième interrogation concerne la modélisation qui cherche à décrire des comportementsélémentaires, ou processus hydrologiques. Ceux-ci se basent sur des équations et des paramètreshydrologiques qui dépendent énormément de l'échelle de travail.

Ainsi, d'une part l'échelle de travail apparaît comme un troisième terme, d'autre part les troistermes vision, processus et échelle apparaissent en grande interdépendance (figure 1). En effetvision et processus sont directement liés à l'échelle, mais sont aussi liés entre eux dans la mesure


où le regard que l'on porte sur un bassin versant dépend du type de processus que l'on veutmodéliser. Ces trois termes ne peuvent être définis séparément quand on veut préciser uneapplication raisonnable.

Il faut par ailleurs noter l'écart entre les jeux de paramètres que peut fournir la télédétection etceux requis par les modélisations hydrologiques. On souhaiterait, bien sûr, que cette nouvellesource de données soit directement utilisable par les modèles. Or, la télédétection procure descartographies de paramètres de surface (occupation du sol, indice de végétation, température desurface (Ts) ou un signal radar), que l'on peut appeler "primaires" dans la mesure où ils nepeuvent être intégrés directement dans les modèles hydrologiques.

Si l'on veut vraiment les introduire dans une modélisation, ils doivent être transformés enparamètres plus pertinents pour la thématique. Une loi de transformation, délicate et pas toujoursréalisable, doit leur être associée. On peut citer les transformations de Ts (température desurface) en ETR (évapotranspiration) selon des modèles radiatifs simplifiés (Seguin et al., 1994)ou encore l'estimation du coefficient de ruissellement en zone sahélienne (Puech, 1993) par liaisonstatistique avec les données de terrain.

FIGURE 1Schéma de liaison télédétection / thématique

Bien gérer la liaison entre télédétection et modélisation hydrologique se présente comme uneadaptation des possibilités de vision spatialisée (éléments disponibles par télédétection) auxbesoins de la modélisation hydrologique (informations requises par l'hydrologie). Pour une bonneliaison, au-delà de la vision et des processus, l'échelle de travail paraît à la fois l'élément de choixle plus immédiat et le terme central de la problématique. Ce sera donc le point d'entrée de notreprésentation. Les choix possibles sont représentés à la figure 2.

ECHELLE

VISION PROCESSUS

Parametres primaires Paramètres hydrologiques

Loi de transformation

MODELISATIONHYDROLOGIQUE

TELEDETECTION


Echelles et informations requises par la modélisation hydrologique

Côté hydrologie, les échelles possibles sont :

Les modèles globaux qui sont empiriques, statistiques ou conceptuels : la détermination des typesd'écoulement est souvent obtenue par des schémas éloignés de la physique, de type semi-physique(exemple : réservoirs) ou boîte noire.

Les modèles distribués ou maillés qui correspondent à un découpage de l'espace en casesélémentaires entre lesquelles on va modéliser les échanges hydrauliques. Le niveau de résolutionle plus grossier, dit "semi-distribué", correspond sensiblement aux sous-bassins. On décomposesouvent l'approche hydrologique en une fonction de transfert signifiant "délais, temps de parcoursde l'eau jusqu'à l'exutoire", basée essentiellement sur des schémas de propagation hydraulique, etune fonction de production associée au "volume écoulé".

Les modèles finement distribués qui se rapprochent de ce que l'on appelle la modélisationphysique. Chaque transformation ou mouvement élémentaire de l'eau est décrit : infiltration,évaporation, ruissellement de surface, écoulement de sub-surface, etc. Plus la modélisations'affine, plus les processus élémentaires deviennent nombreux impliquant une multiplication deséquations et des paramètres associés.

La dernière échelle hydrologique qui est locale ; elle correspond aux mesures élémentaires et auxessais de laboratoire où sont bien définis phénomènes, équations et processus élémentaires. Cetteéchelle est rarement utilisable en modélisation quand on s'intéresse à un bassin versant.

Les informations requises par l'hydrologie dépendent de la modélisation choisie, du type de débitrecherché (crue, apport annuel ou étiage) et du pas de temps de mesure. Les choix du type demodélisation et des processus sont donc fortement fonction de l'échelle (tableau 1).

FIGURE 2Les échelles possibles pour chaque approche

REMOTE SENSINGTELEDETECTION

HYDROLOGY

BASSIN - CATCHMENT

HILL SLOPE

SUB CATCHMENT

PIXEL

m²

GLOBAL

LOCAL

DISTRIBUTED

UNITE DE VISION -SIGHT UNITY


TABLEAU 1Echelle de modélisation hydrologique et processus associés

ECHELLE PROCESSUS PARAMETRES MODELISATIONGlobale • Réservoirs • Paramètres moyens (pluie,

ruissellement, ETR)• Surface, indices de pente, de

forme• Epaisseur de sol

• Conceptuelle• Statistique• Empirique

Semi-distribuée Séparation entre :• Parcours de versant• Réseau de drainage

• Occupation du sol• Surface, pente, longueur du

versant

• Semi-déterministe

Finementdistribuée

• Pluie spatialisée• Interception• Evapotranspiration• Ruissellement de surface• Ruissellement de sub-

surface• Infiltration

• Epaisseur des sols• Végétation• Type de sols• Coefficients d'infiltration de

perméabilité• Pente azimut de la case

élémentaire

• Déterministe• Physique

Il faut en outre remarquer que les données facilement disponibles du point de vue hydrologie sontsoit globales soit ponctuelles; celles concernant les versants sont rares et peu régionalisables.

Echelles et paramètres disponibles par télédétection

La vision impose tout d'abord une résolution minimale, le pixel. Il peut être important de noterque l'agrégation des données est relativement facile au niveau radiométrique : on peut passeraisément du pixel à des groupes de pixels sur l'ensemble du bassin versant. Plus délicate estl'agrégation d'objets ou de paramètres de détection, car en dépendance d'échelle.

Cette vision impose en outre une limitation à la couche supérieure de la terre qui restreint lechamp des paramètres disponibles aux termes de surface. Seules les strates supérieures sontdiscernables et les éléments de sol (épaisseur, texture) sont exclus.

Prenons quelques exemples :

• On peut s'intéresser à des écoulements de surface selon le schéma dit de Horton, qui expliqueles ruissellements par refus à l'infiltration au-delà d'une certaine intensité de pluie. Dans ce casles "états de surface " deviennent pertinents et intéressants à décrire. La surface peut êtredécrite, à partir de données de télédétection, et découpée en classes plus ou moins propices auruissellement.

• Si l'on suppose que les écoulements sont gérés par l'approche dite des "aires contributives", lerepérage des zones saturées devient alors prépondérant. Ceci peut entraîner des recherchesd'index topographiques définissant les potentialités de saturation : l'espace est alors découpéselon le relief en utilisant les modèles numériques de terrain.

• On peut aussi chercher des indices plus physiques à intégrer dans les modèles :évapotranspiration (à partir de données thermiques) ou humidité des sols (à partir de donnéesradar).

Quelle échelle commune ?

Le choix des paramètres utiles et des éventuels découpages de l'espace dépend donc fortement dutype de représentation que l'on cherche à décrire. En pratique, trois cas de tailles de calculpeuvent s'envisager : pixel, global ou intermédiaire


Solution pixel

La résolution de calcul permettant une bonne modélisation hydrologique est, a priori, différentedu pixel pour deux types de raisons : des raisons pratiques pour limiter le nombre de casesélémentaires et donc les temps de calcul informatique ; des raisons plus conceptuelles car lesobjets pertinents au point de vue modélisation hydrologique sont rarement compatibles avec lespixels : forme non carrée et taille a priori différente. Ainsi la taille du calcul élémentaire seragénéralement supérieure au pixel, après regroupements, pouvant aller jusqu'au bassin dans saglobalité.

Toutefois, dans des cas particuliers, le pixel satellite peut être une base de calcul : c'est le casdes zones où les ruissellements de surface sont prépondérants (processus de Horton). L'état de lasurface du sol est alors un élément fondamental du ruissellement à caractériser finement. Ceprocessus est reconnu comme prépondérant dans les zones sahéliennes du fait de la présence decroûtes de battance qui imperméabilisent la surface (voir au paragraphe application).

Niveau global

Le niveau global correspond à la plus classique et la plus opérationnelle des approches utilisantmodèles et télédétection. Le schéma est simple : les paramètres globaux sont obtenus par simplemoyenne des informations recueillies en surface. Des essais intéressants ont été effectués sur latempérature de surface et l'évapotranspiration, et débutent sur l'humidité moyenne du bassin.L'intérêt de l'approche globale concerne surtout la variation temporelle de coefficients qui sontrecherchés à travers des images météorologiques, à basse résolution spatiale (images NOAA),pour définir des chroniques des paramètres rapidement variables.

Modèles distribués ou maillés

L'utilisation d'images à haute résolution spatiale, en raison de sa présentation finement maillée,pousse à des couplages avec des modèles distribués, c'est-à-dire au choix d'une taille de calculintermédiaire entre le pixel et le bassin : par découpage en cases régulières ou irrégulières.Quelques exemples de découpages de l'espace sont basés sur des considérations hydrologiques(lignes topographiques de Moore et al., 1988 ; toposéquences et parcelles de Rissons, 1995). Cessolutions font appel à des considérations de zones homogènes qui doivent être cohérentes à la foisdu point de vue hydrologique (versants ou entités hydrologiquement intéressantes) et du point devue description (même occupation du sol, même morphologie).

L'approche maillée essaie de caractériser et de tenir compte des différences internes au bassinversant, renseignements localisés qui peuvent servir pour des scénarios d'aménagement ou desrégionalisations. On pourrait penser a priori que la description fine de ce qui se passe dans lebassin va augmenter la précision des calculs. Or de nombreux écueils tempèrent cette vision :multiplication des équations, des paramètres (modèle déterministe européen - SHE model - sur lebassin de la Wye qui utilise 2 400 paramètres), impossibilité de validation des écoulementsélémentaires par manque d'observations locales, risque d'obtenir des schémas conformesnumériquement mais faux du point de vue conceptuel ("il ne suffit pas qu'un modèle donne debons résultats pour être bon ; il faut aussi que ce soit pour les bonnes raisons" (Klemes, 1986)),utilisation à une échelle quelconque de schémas numériques élaborés à d'autres échelles. La listeest longue ...


Ainsi, complexité ne signifie pas qualité. Au point de vue des résultats numériques àl'exutoire, les modèles distribués ne donnent pas de résultats significativement meilleurs que lesmodèles globaux, parfois même ils sont moins précis. L'intérêt de ces modèles maillés n'est pasdans une amélioration de la qualité mais dans une meilleure compréhension des cheminements del'eau (à condition de pouvoir valider) et, surtout, dans les études en scénarios.

L'utilisation de données venant de la télédétection ne vient que rajouter des incertitudes sur laqualité des paramètres décrits et sur leur adaptation au problème. Nous avons déjà mentionné queles paramètres obtenus, primaires, doivent d'abord être transformés en paramètres plushydrologiques. L'hydrologie voudrait des informations sur les coefficients d'infiltration oud'interception locale, alors que la télédétection ne fournit que l'occupation du sol ou lamorphologie. Pour préciser ces transformations, des recherches fondamentales restent à menerconcernant par exemple l'effet numérique de l'occupation du sol et de la morphologie sur lesécoulements.

Le changement d'échelle en modélisation : changement de processus et de paramètres

La modélisation maillée implique aussi de s'intéresser à deux problèmes liés au changementd'échelle : un problème d'agrégation et un problème de dépendance d'échelle.

Agrégation

Si nous nous rappelons que le but de l'hydrologie opérationnelle est de définir des débits àl'exutoire de bassins, alors, dans toute approche maillée, il y a nécessairement une phased'agrégation de l'information, qui repose sur l'additivité des comportements, soit implicitementsoit de façon plus complexe à travers la modélisation.

Cette additivité pose le problème essentiel au niveau de la pertinence du découpage et desparamètres descripteurs associés. Dans le cas de ruissellements de surface, l'additivité desécoulements élémentaires est, a priori, possible depuis des tailles de calcul très fines : la sommede chaque case donne un bon index de l'écoulement global à l'exutoire. Dans le cas deruissellements par infiltration, l'additivité est plus problématique. La somme des écoulementsélémentaires définis sur des zones trop exiguës peut ne pas être explicative de l'écoulement global.Il en découle que l'agrégation des cases et donc des écoulements dépend de la taille de calcul(résolution de calcul) : elle est impossible en deçà d'une seuil dont la valeur dépend des processusélémentaires observés sur le terrain.

Dépendance d'échelle : une limitation des approches distribuées

La dernière précaution à prendre pour une bonne cohérence concerne la dépendance d'échelle quitouche les variables, les processus ainsi que les équations qui les définissent.

Pour ce qui est des variables, on observe une forte dépendance d'échelle touchant la précisionet la signification des paramètres. Par exemple, la pente change non seulement de valeur maisaussi de signification quand change la résolution de calcul (Puech, 1993). Une forte dérives'observe, mais on utilise toujours le même terme pente pour ce qui est mesuré, en résolution 20m ou 1 km. Le danger est d'utiliser ensuite sans précaution ces variables dans des modèlesuniques, établis à une échelle particulière. Or, ces mêmes dérives s'observent pour toutes lesvariables : quel est, par exemple, le lien entre une température de surface ponctuelle et latempérature de surface estimée sur 1 km² ?


On observe le même phénomène de dépendance d'échelle pour les processus et lesmodélisations potentielles. Développées au laboratoire elles ne sont souvent plus valables à uneéchelle plus globale. Beven (1989) introduit la notion de saut conceptuel : on passe d'une loiétudiée et validée à une échelle stationnelle (laboratoire) à l'échelle d'une maille sans préalablethéorique. Les modélisations dites déterministes les utilisent toutefois sans état d'âme, sans seposer le délicat problème de leur validité. Ce qui conduit à des schémas critiquables.

On peut en donner des exemples triviaux, avec des abus manifestes. Ainsi de nombreusesmodélisations maillées proposent l'application brutale, à l'échelle d'une maille de plusieursdizaines de mètres, de l'équation de Manning Strickler pour déterminer l'écoulement de surface.Or cette équation exprime les écoulements en rivière à partir de la section mouillée et de la pentede la ligne d'eau. Un coefficient de freinage exprime la rugosité des parois. Dans les modèlesmaillés, cette équation est souvent utilisée pour caractériser les écoulements de surface supposésen nappe sur une surface d'un pixel ou plus. Cette utilisation est abusive par suite de nombreusesdéviations par rapport aux hypothèses d'application dont les plus importantes sont :

• la non-signification des paramètres d'une section mouillée de quelques millimètres d'épaisseur,• l'impossibilité d'observer le schéma en nappe régulière sur le terrain ; même sur des distances

moyennes, les nappes se regroupent rapidement en filets préférentiels multiples au bout dequelques mètres (Planchon, 1991).

Enfin, le coefficient de rugosité est même parfois estimé à partir du NDVI, indice devégétation satellitaire (Gros, 1995). Or celui-ci caractérise davantage la strate arborée ou lavégétation haute que des paramètres expliquant le freinage à l'écoulement.

Ainsi les équations physiques développées en laboratoire sont dépendantes d'échelle ("scaledependant") et leur intégration dans ces modèles est à la limite de l'acceptable. Les équationsutilisées deviennent, à la rigueur, utilisables si elles ont été calées localement, mais l'approche n'aplus rien de physique. Le minimum serait d'utiliser un langage prudent : ne plus parlerd'écoulement "selon Manning", mais parler d'équations équivalentes tout juste bonnes àreprésenter numériquement les écoulements, en attendant mieux.

Conclusion

Le choix d'une modélisation hydrologique repose donc sur le trio : échelle, vision, processus.Toutes les échelles sont bonnes et pertinentes a priori, mais il faut arriver à un équilibre correctentre échelle, données et concepts, vu leur interaction. La précision et l'intérêt de l'utilisation sontà ce prix.

La modélisation maillée repose sur la notion de zone homogène hydrologique, en référenceavec la description d'un processus. On en vient à proposer une taille minimale (ou optimale) pourla représentation et la caractérisation de l'espace pour un processus donné. Un des critères depossibilité d'utilisation de la télédétection pour la modélisation hydrologique concerne alors lataille des objets visuels qu'elle permet de décrire, objets qui doivent être de taille semblable à celledes objets hydrologiques expliquant le phénomène.

Des points importants en résultent, notamment lors de la rupture de cet équilibre : quand lesprocessus changent ou que l'échelle d'appréhension change, il faut redéfinir la modélisation. Le


chapitre suivant constitue un exemple de rupture de cet équilibre : si les processus changent denature, la modélisation peut devenir inopérante ou fausse.

EXEMPLE D'APPLICATION AU SAHEL, CARTOGRAPHIE DES POTENTIALITÉS DE

RUISSELLEMENT

La cartographie des états de surface du Sahel effectuée dans le cadre du projet FAO sur laconnaissance de débits de crue illustre ces propos. Le but est d'estimer le débit du bassin versantà partir de cartographies des états de surface.

Particularités des processus de ruissellement dans les régions sahéliennes : choix préalables

Dans les régions sahéliennes et soudano-sahéliennes, on peut partir de l'hypothèse que leruissellement est globalement déterminé par la présence à la surface du sol d'une fine coucheimperméable dite "croûte de battance" qui apparaît au début de la saison des pluies du fait del'agressivité du climat. La pluie tombant à la surface du sol ne s'infiltre pas en totalité maisruisselle, car la capacité d'infiltration est rapidement atteinte. C'est le schéma de Horton.

Ainsi, la couche de surface explique à elle seule une grande part de la transformation de lapluie en ruissellement : les "états de surface" apparaissent comme l'élément moteur et déterminantdes écoulements [1], [2]. Comme, par ailleurs, le sol est visible pendant la saison sèche, ces deux"qualités" des couches de surface rendent a priori particulièrement intéressantes les images detélédétection pour la définition des écoulements.

De plus, les essais de simulation de pluie ont permis de définir des "états de surface type" àpartir d'éléments de 1 m² et de leur contexte immédiat et de leur associer une équationhydrodynamique. La cellule de base pour caractériser les ruissellements est donc a priori correcteà 1 m². La résolution satellitaire haute résolution propose une vision de taille supérieure (20*20 mou 30*30 m). A cette échelle (pixel), les écoulements de base sont déjà différents de ce qui estobservé au m² : il n'y a plus d'écoulement en nappe car, dans la plupart de cas, des rigolespréférentielles se sont formées. Ce rassemblement en rigoles rend très vite indépendantes les zonesélémentaires de production ; étant indépendantes les productions peuvent être alors supposéesquasi additives. Dès lors, la production totale d'un pixel est pratiquement égale aux productionsdéfinies à l'échelle du m², au prorata de sa surface. Ainsi, le pixel apparaît souvent une bonneéchelle de caractérisation de ces états de surface.

Notre choix s'est donc porté sur une modélisation de la fonction de production locale àl'échelle du pixel. La transformation des plans primaires issus de la télédétection en plans utilesquantifiés est effectuée sur la base des expérimentations de simulation de pluie.

Méthode

Simulation de pluie et équations hydrodynamiques

Ces présentations ont déjà été faites, notamment dans [1], [2]. Nous n'en donnerons que leséléments principaux. Chaque état de surface élémentaire est susceptible de présenter une lameruisselée Lr définie par l'équation hydrodynamique suivante :


Lr = a.P + b.P.Ik + c.Ik + d (1)

où a, b, c, d sont des coefficients dépendant de l'état de surface. P est la pluie. Ik est l'indiced'humidité de Kohler, calculé à chaque jour de pluie en fonction de l'indice précédent (Ik-1), de ladernière pluie observée (P) et du nombre de jours écoulés (dt) depuis cette dernière pluie. Ik estcalculé comme suit :

Ik = (Ik-1 + P).e-x.dt (2)

où x est un facteur d'atténuation généralement estimé proche de 0.5.

Cartographie des états de surface

La première étape concerne la transformation des images de télédétection en différentes couchesexpliquant le paysage ; les caractères décrits sont un compromis entre ce qui peut être vu dans lesimages et ce qui est nécessaire pour les explications du ruissellement. Cette description exige :

• la cartographie totale du bassin (non seulement les zones cultivées mais aussi les zonesnaturelles, telles que forêts dégradées, savanes, etc.),

• la cartographie des caractères liés aux potentialités de ruissellement.

Nous avons déjà indiqué que la surface du sol est prédominante pour l'explication duruissellement. C'est pourquoi nous avons choisi une image de saison sèche (période avec unevégétation pauvre) pour observer la surface du sol et la végétation permanente. Les critèresdescriptifs suivants ont été choisis:

• V pourcentage de végétation• C pourcentage de terre cultivée• S type de sol

Ces critères sont quantitatifs (V and C) et qualitatifs (S). Nous avons utilisé une classificationsupervisée basée sur des observations de terrain, relevées selon des transects de 2 000 m enutilisant des carrés élémentaires de 100m*100m. Un repérage précis de position a été facilité parl'emploi de GPS, appareil très utile dans ces zones sans relief et sans repères au sol. Pour unbassin de 30 km², cinq à dix transects le long de petites pistes ont été décrits.

Une bonne détermination des critères a été obtenue en utilisant une seule image, ceci grâceaux nombreux canaux (7) de LANDSAT TM. L'indice de végétation NDVI (pour le planvégétation) et l'indice de brillance IB (pour les plans des sols et des zones cultivées) ont été lescanaux les plus utiles.

Obtention des cartes de ruissellement local

La seconde étape concerne la transformation de ces plans élémentaires en classes d'états desurface et donc en classes de comportement hydrologique.

Les informations de ruissellement sont tirées du Catalogue des états de surface élémentairesdu Sahel (Casenave et Valentin, 1989). Ce catalogue permet de classer chaque état de surface


dans un groupe appelé ESE (état de surface élémentaire) à partir de quelques éléments descriptifsde la surface. A chaque ESE est associée une équation hydrodynamique spécifique (Eq. 1).

On ne peut déterminer directement les ESE sur image, car la grille de décodage contient desdescripteurs non surfaciques, par exemple le nombre de micro-horizons de la couche supérieuredu sol. Aussi avons-nous utilisé une approche statistique : sur les transects, chaque carré dedescription (100m*100m) ayant également fait l'objet d'un classement en ESE, on a tiré un lienstatistique avec les données primaires de végétation (V), sol (S), pourcentage de cultures (C).Cette correspondance permet de transformer les trois plans de base (V,S,C) en un plan uniquedonnant les numéros de classes ESE pour chaque pixel. Enfin à chaque numéro de ESEcorrespond une équation hydrodynamique (1) qui associe à toute pluie P la valeur de la lameruisselée Lr.

La carte résultante représente le "ruissellement local (ou potentiel)".

Résultats et discussion

Cette méthodologie a été appliquée sur plusieurs bassins versants du Sahel (Sénégal et BurkinaFaso). A partir des productions locales est calculée la production globale sur le bassin, valeur quipeut être comparée aux observations in situ.

Agrégation pour tout le bassin

Le passage du local au global nous ramène à des problèmes d'échelle. Les clefs de l'interprétationdépendent des processus physiques. Si le ruissellement de surface est généralisé, on a vu que lerassemblement en rigoles impliquait une additivité des productions. La lame ruisselée globale Lrest alors calculée au prorata des surfaces. Ainsi chaque partie du bassin contribueproportionnellement au ruissellement sans tenir compte de sa position dans le bassin. La lamecalculée Lr peut être comparée aux observations in situ (Lrobservée) en utilisant le ratio :

r = Lrobservée / Lr (4)

où r représente un facteur d'échelle et est proche de 1 si l'additivité est acceptable. En zonesahélienne, r varie en général entre 0,5 and 1, avec une moyenne proche de 0,80.

Résultats comparés

Les résultats obtenus sur le bassin versant de Thyssé Kaymor au Sénégal sont représentatifs d'unpremier ensemble de comportements. Dans ce groupe, où la zone cultivée représente près de 75%du bassin, les résultats obtenus sont très cohérents et indiquent une bonne adéquation de laméthode. On donne à la figure 3 les plans obtenus sur les bassins de Ndiba (16 km²), et de KeurSamba Diama (76 km²). Les images de base sont des LANDSAT TM de novembre 1990, lesdonnées de terrain ont été relevées à la même saison en 1992. Les rapports observé/calculé sontrespectivement de r=0,47 and r=0,90. Ceci est en accord avec une légère baisse à attendre entre lechiffre de production locale et la valeur globale. Les hypothèses semblent confirmées, tant sur lechoix hydrologique que sur la représentativité de la taille de travail, le pixel.

Un deuxième ensemble de bassin est plus problématique. Il s'agit des bassins soudaniens deNdorola au Burkina Faso. Là, certaines des valeurs de r tombent en dessous de 0,05, ce quiindique que l'agrégation n'est plus acceptable [5]. La méthode atteint ses limites.


FIGURE 3Utilisation des images haute résolution pour cartographier les potentialités de ruissellement


Dans cette zone les cultures n'occupent que de 15% à 20% du bassin, sur une zone centralede type bas-fond. Les zones extérieures sont des plateaux cuirassés et de longs glacis en penterégulière rejoignant les bas-fonds. L'analyse que nous avons pu faire de cette zone remet en causela pertinence de la simulation de pluie pour toute la zone plateau, et en moindre mesure pour lesglacis. Pour ces plateaux en particulier, l'eau ruisselée est généralement perdue avant d'arriver àla plaine : le ruissellement global est quasiment nul.

Ainsi, dans cette zone, les hypothèses initiales sont remises en question et toute la chaîne dedétermination s'écroule :

1. les processus élémentaires choisis ne sont plus acceptables;2. l'échelle pertinente de détermination hydrologique ne peut plus être ni le m² ni le pixel, mais le

plateau tout entier (Q=0) : la maille correcte vis-à-vis du phénomène étudié a changé de taille;3. la vision ou détermination à partir d'image de télédétection n'a plus d'intérêt au niveau du pixel

mais doit définir plateaux, glacis et bas-fond. C'est uniquement dans la zone de bas-fond quel'approche pixel retrouve son intérêt.

Les calculs repris en imposant une production nulle sur plateaux et glacis et en ne gardant que lazone de bas-fond dans les équations fournissent des résultats globaux cohérents.

En conclusion, dans une même région, voire dans un même bassin, les processus peuvent êtredifférents selon les zones. L'approche, valable dans une partie, peut être mise en défaut dansl'autre. Ce sont toujours les processus qui dirigeront notre choix final de couplage etd’hydrologie, et la généralisation est difficile. Pour peu que les processus changent dephysionomie, les autres termes du couplage sont mis en défaut.

CONCLUSION

L'un des écueils de l'utilisation de la télédétection par satellite est de se laisser guider par larésolution de l'image. Il faut en effet opposer la taille de la vision (résolution de l'image) et lataille du calcul qui doit être guidée par des considérations physiques sur le phénomène à étudier.

Nous avons développé l'idée que le choix initial de la modélisation doit se fonder sur desconsidérations hydrologiques. Une échelle de travail doit être choisie en fonction de processuscohérents avec cette échelle et avec le contexte. Les données de télédétection doivent s'associer àce schéma, sur la base d'une vision pixellaire ou agglomérée.

Un exemple d'application au Sahel montre que d'un bassin à l'autre les choix des processuspeuvent être remis en question et conduire à des erreurs de modélisation. Il en ressort alors desidées de résolution optimale de modélisation en fonction des processus réels et de l'approchemodélisatrice, à rapprocher de notions similaires en télédétection. Cette résolution peut êtrevariable d'une zone à l'autre du même bassin versant et conduit, en théorie, à des approchesmodélisatrices non homogènes.

BIBLIOGRAPHIE

Beven, K. 1989. Changing ideas in hydrology. The case of physically based models. Journal ofhydrology, 105(1989), pp 157-172.


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Télédétection spatiale et modélisation dufonctionnement hydrologique des petits

bassins versants

I. Problématique de la modélisation

RESUMÉ

En dépit des progrès fondamentaux accomplis dans la compréhension des cheminementsde l’eau, les modèles hydrologiques, même les plus sophistiqués, ne permettent de prédireavec confiance ni les flux internes à un petit bassin, ni même les débits à son exutoire.

ABSTRACT

Despite fundamental progress in the understanding of runoff processes, it is argued thateven the most sophisticated models do not allow for a sure prediction of the internal fluxeswithin a catchment. This must also cast doubt on predictions made in terms of discharge.

INTRODUCTION

Parce que l’eau intervient dans l’ensemble du fonctionnement du milieu naturel (Ambroise,1991), qu’elle est le vecteur privilégié d’éléments transportés en solution ou en suspension,l’importance de la tâche des hydrologues dans la résolution des questions environnementalesactuelles et à venir est considérable et de plus en plus reconnue. Les hydrologues sont d’ores etdéjà confrontés à une réelle demande, qui émane d’ailleurs souvent de disciplines connexes, quece soit en termes d’analyse des effets des pratiques agricoles, en termes de prévisions des cheminsde l’eau pour le calcul des transports géochimiques et sédimentaires, ou plus récemment encoreen termes de prédictions des flux de matière et d’énergie à l’interface sol-végétation-atmosphère.

L’hydrologie est par conséquent en pleine mutation. Le bassin versant (espace géographiquecollectant les précipitations en amont d’un point de la rivière définissant son exutoire) ne peutplus être considéré comme un tout indifférencié (Ambroise, 1991), comme une « boîte noire » quine reproduit en sortie que le seul débit observé à l’exutoire. « D’où provient l’eau desruisseaux ? » (Hewlett, 1961). Quels sont les chemins parcourus depuis l’instant où une goutte depluie rencontre la surface de la terre ? Telles sont au contraire les questions fondamentales qui seposent à l’hydrologie depuis plus d’une trentaine d’années.

Philippe GinesteLaboratoire commun de télédétection, CEMAGREF-ENGREF, Montpellier, France

Session 3 : Problèmatique de la modélisation368

De nombreuses études de terrain, conduites à l’échelle du versant ou des petits bassinsversants, ont apporté une bien meilleure compréhension des cheminements de l’eau, qui à son toura permis, grâce aux progrès concomitants des moyens informatiques, le développement d’unenouvelle génération de modèles dits distribués ou spatialisés. Contrairement aux modèlesglobaux, ceux-ci appréhendent le fonctionnement hydrologique d’un bassin versant en tentant dereprésenter les processus du ruissellement dans l’espace. Y parviennent-ils ? En ont-ils lesmoyens ? On propose, dans un premier temps, d’analyser la problématique de la modélisation dufonctionnement hydrologique des petits bassins versants dans l’optique de mettre en perspectivel’apport potentiel de la télédétection radar discuté par la suite (Gineste, partie II).

RAPPEL SUR LES MODÈLES GLOBAUX

Historiquement, on a surtout demandé aux hydrologues de prédire le débit à l’exutoire d’unbassin versant. Les approches globales se sont d’abord imposées; elles sont dites empiriques ouconceptuelles.

Modèles empiriques

Les modèles empiriques caractérisent globalement les relations pluies-débits par des traitementsde séries chronologiques où n’intervient en général aucune donnée sur la nature physique dubassin (Ambroise, 1991) : c’est typiquement le cas des modèles régressifs pluie-débit et desméthodes basées sur les fonctions de transfert, comme celle de l’hydrogramme unitaire (Sherman,1932). L’utilisation récente des réseaux de neurones (Hsu et al., 1995) relève également de cettecatégorie.

Techniques de référence en ingénierie, ces méthodes présentent néanmoins de sévèreslimitations : chroniques souvent insuffisantes, extrapolation aux épisodes extrêmes parconséquent dangereuse, hypothèse de stationnarité en dépit des variations climatiques et desmodifications du milieu d’origine anthropique, etc.

Modèles conceptuels

Ces modèles considèrent le bassin versant de façon conceptuelle comme « un assemblage deréservoirs d’humidité interconnectés » (Ambroise, 1991) qui sont censés représenter plusieursniveaux de stockage suivant une dimension verticale (végétation, surface, sol, nappe). Cetteébauche de spatialisation permet en principe de simuler les flux d’échange entre les réservoirs etnon plus les seuls débits. Le premier modèle de ce type, SWM, comporte huit réservoirs et 27paramètres (Crawford et Linsley, 1966). Plus récemment, la famille des modèles GR (Edijatno etMichel, 1989) présente l’avantage de ne comporter que deux, trois ou quatre paramètres.

Cependant, les paramètres de vidange des réservoirs de ce type de modèle, issus de relationsempiriques, apparaissent sans grande signification physique. Ils sont obtenus par le calage dumodèle sur le débit observé à l’exutoire du bassin; les tentatives pour relier ensuite les valeursobtenues aux caractéristiques spatiales du bassin n'ont pas donné jusqu’à présent des résultatssatisfaisants. L’approche permet en revanche d'introduire de façon empirique l'influence de l'étathydrique des sols sur la réponse du bassin à la pluie (Loumagne et al., 1991).


DES MODÈLES AUX PROCESSUS

La distinction précédente entre modèles empiriques et conceptuels tient au concept de réservoir,mais peut se révéler ambiguë (Ambroise, 1991). Comme le souligne d’autre part Grésillon(1994), l’histoire de la modélisation hydrologique est au moins partiellement liée à lacompréhension des mécanismes du ruissellement.

Par exemple, la méthode de l'hydrogramme unitaire, le principe du découpage du bassin ensurfaces isochrones, ou encore la plus ancienne méthode rationnelle (Kluichling, 1889)s'inscrivent dans un schéma deruissellement de surface géné-ralisé à l’ensemble du bassin(Grésillon, 1994), où chaque partiedu bassin contribue au débit de larivière avec un délai de transfertessentiellement fonction de sadistance à l'exutoire. Le concepthortonien (Horton, 1933) d’unepartition de la pluie entreinfiltration et ruissellement desurface (figure 1) est ainsiimplicite dans la plupart desapproches de modélisation.

Du fait d’une lente maturationdes connaissances sur les processus du ruissellement, cette conceptualisation se retrouve aussiplus récemment lorsque des modèles de production à la parcelle, comme le SCS curve number(USDA, 1972), sont introduits dans un système d'information géographique dans l’optique d’enagréger les diverses contributions, c’est-à-dire la fraction de pluie non infiltrée par chaqueparcelle. Cela suppose théoriquement que les parcelles sont hydrauliquement indépendantes, oudu moins que leur contribution relative reste stable quel que soit l'épisode, à savoir la mêmehypothèse qui permettrait de justifier les piliers de la technique de l’hydrogramme unitaire(Grésillon, 1994) : invariance et linéarité de la réponse d’un bassin à une impulsion de pluie nette(production unitaire). Ces hypothèses cependant semblent bien fragiles au regard de la diversitédes processus de génération des débits récemment identifiés en climat humide à tempéré et de leurvariabilité spatiale et temporelle (cf. Ambroise, 1991).

RAPPEL SUR LES PROCESSUS DE GÉNÉRATION DES DÉBITS

Nombreux sont les hydrologues et forestiers qui se sont interrogés sur la réalité du mécanismehortonien (Ward, 1984), à cause de l'existence de crues rapides sur des bassins très perméables etde l'observation plutôt rare d'un réel écoulement de surface si ce n'est aux abords des ruisseauxsur des terrains déjà saturés (Fernow, 1902). Mais il a fallu attendre la technique de séparationisotopique des hydrogrammes (Crouzet et al., 1970) pour confirmer ce doute puisqu'unhydrogramme de crue se révèle presque toujours composé majoritairement d'eaux présentes dansle sol avant l’événement pluvieux (Grésillon, 1994).

FIGURE 1Le concept hortonien du ruissellement


Divers mécanismes ont étéproposés pour tenter d’expliquer ceruissellement subsuperficiel rapide(figure 2) : écoulement latéral ouhypodermique (Hursh, 1936),écoulement dans la macroporosité dusol (Hursh, 1944; Beven et Germann,1982) ou encore écoulement parintumescence de la nappe(Vaidhianathan et Singh, 1942;Sklash et Farvolden, 1979).

Le concept de surfaces saturéescontributives d'aire variable (Hewlett,1961; Hewlett et Hibbert, 1967)présente l'intérêt de concilier desapports souterrains par intumescencede nappe et des apports de surface parrefus d'infiltration lorsque celle-ciaffleure la surface du sol (figure 3).Le concept d’extension des zonescontributives proposé par Cappus(1960) s’oppose radicalement à lavision d’un ruissellement généralisé àl’ensemble du bassin, même sil'extension des zones saturées,variable au fil de la saison comme aucours de l’averse, n'est en fait paslimitée au strict voisinage desruisseaux. Plus généralement, lasaturation dépend des conditionshydriques initiales du bassin, etsurvient à la surface d’un sol quandsa transmissivité n'est plus suffisanteau regard des flux amonts(O'Loughlin, 1981) comme à lafaveur de convergences topo-graphiques, d'une épaisseur de sollocalement réduite, ou encore denappes temporaires perchées sur unhorizon moins perméable (figure 4).Elle s’accompagne ici et là d'uneexfiltration d'eaux plus ou moinssouterraines.

DÉVELOPPEMENT ET PROBLÉMATIQUE DES APPROCHES SPATIALISÉES

Après un bref aperçu des différents types de modèles spatialisés, on soulève le problème d’unmanque de réalisme lorsque des équations physiques sont utilisées avant de questionner lapertinence d’une calibration globale de ces modèles.

FIGURE 2Les mécanismes d’écoulement subsuperficiel rapide


FIGURE 3Le concept de surfaces saturées contributives d’aire variable

FIGURE 4Localisation des surfaces saturées (d’après Ward, 1984)


Les différents types d’approches spatiales

Les modèles conceptuels spatialisés

Il s’agit de modèles à réservoirs impliquant une discrétisation de l’espace en des unités spatialesque l’on considère homogènes (Ambroise, 1991). C’est le cas par exemple du modèle CEQUEAU(Morin, 1991). Chaque unité est constituée comme un assemblage de réservoirs, et non plus lebassin dans son ensemble. Cela permet en principe de tenir compte de la répartition spatiale descaractéristiques du milieu, aux dépens cependant d’une augmentation du nombre de paramètres àcalibrer.

Les modèles basés sur le concept de similarité hydrologique

Ces modèles découlent du concept de zones contributives variables et de l’analyse des facteursqui contrôlent l’extension des zones saturées. L’idée originale revient à postuler que lecomportement hydrologique local de tout point du bassin peut être indexé sur la base d’uneanalyse de la topographie et des caractéristiques des sols. L’aptitude relative des sols d’un bassinà se saturer dépend alors uniquement d’un indice qui fait intervenir la pente locale, la surfaceamont drainée, et éventuellement la transmissivité du profil si elle est connue.

TOPMODEL (Beven et Kirkby, 1979) est le prototype de ce type d’approche, dite semi-distribuée, où l’emploi d’un indice de similarité hydrologique régit la spatialisation des processusdu ruissellement et évite ainsi les calculs d’échange entre les mailles des modèles distribués. Cemodèle a été développé, sur la base d’approximations de la physique des écoulements de la zonesaturée, dans l’objectif de fournir une description spatiale des processus de façon réaliste tout enne conservant qu’un minimum de paramètres de calibration.

Les modèles physiques distribués

Historiquement, les approches distribuées ont été développées à des fins de rechercheparallèlement aux progrès de l'informatique. Elles utilisent les équations de la physique desécoulements et ont permis d’explorer les conséquences de certaines hypothèses dans tel ou telcadre théorique particulier, comme par exemple l’influence de la topographie sur la prédominanced’un certain type d’écoulement (Freeze, 1972).

Plus récemment, ces modèles physiques ont cherché à représenter finement le comportementd'un bassin réel. L’intérêt a priori des équations physiques réside dans le fait que leursparamètres sont en principe mesurables. Beaucoup d’espoirs se sont alors portés sur la capacitéprédictive des modèles distribués, en termes de conséquences d’un changement d’occupation dusol notamment (Abott et al., 1986). Mais ces modèles se heurtent à la complexité et àl’hétérogénéité du milieu naturel.

Réalisme des équations physiques ?

Ce n’est qu’au prix d’hypothèses fortes que l’on parvient à décrire les écoulements de surface àpartir de l’hydraulique de Barré de St Venant. La géométrie des versants est approchée par unecascade de plans contigus sur lesquels s’écoule une lame d’eau que l’on suppose latéralementuniforme, d’où le terme d’écoulement en nappe (figure 5). Un coefficient empirique, le facteur


FIGURE 5Schéma d’écoulement en nappe (d’après Kibler et Woolhiser, 1972)

de friction, relie les variables de vitesse, d’épaisseur de nappe et de débit afin de traduire larésistance du sol à l’écoulement. Ce coefficient, variable avec la texture superficielle des sols, lastrate herbacée ou encore l’intensité de la pluie, dépend également du nombre de Reynolds; il peutpar conséquent varier sur plus de deux ordres de grandeur le long d’un versant (Dunne, 1978). Lapratique cependant conduit à en estimer une valeur « moyenne » par bassin par le calage dumodèle.

Mais peut-on envisager de spatialiser ce paramètre de friction alors que de véritablesécoulements en nappe n’ont, semble-t-il, été observés que sur des versants à la fois lisses et courts(Planchon, 1991) ? L’eau, d’une part, tend par nature à converger; à l’instar d’une goutte d’eaubombée sur un plan horizontal, les écoulements se concentrent pour minimiser leur surface decontact avec le sol. D’autre part, la microtopographie et la végétation de certains versants forcentles écoulements à prendre des chemins plus ou moins tortueux, dont les contours s’accentuentensuite au fil des crues. Une épaisseur moyenne de « nappe » de l’ordre de quelques millimètresn’est souvent plus alors qu’une abstraction utile pour estimer le flux agrégé d’un ensemble depetites rigoles se concentrant elles-mêmes jusqu’au ruisseau (Emmet, 1970).

Concernant les écoulements dans le sol, le phénomène de la macroporosité semble toutd’abord trop mal connu pour pouvoir être intégré dans un modèle physique. De plus, rien nejustifie théoriquement que l’on puisse appliquer les équations de Richards (1931), qui sonthautement non linéaires et ont été établies pour des milieux homogènes simples, à l'échelle d'unemaille élémentaire de l’ordre de quelques centaines de m², par conséquent fortement hétérogène.Ce faisant néanmoins, les paramètres intervenant dans ces équations deviennent effectifs, car ilssont censés intégrer le changement d’échelle qui s’opère. Ils ne sont alors plus mesurables commetout paramètre d’un modèle typiquement conceptuel (Beven, 1989).


Pertinence d’une calibration globale des modèles spatialisés ?

A ce stade, les approches physiques ne diffèrent pas fondamentalement des approchesconceptuelles spatialisées. Le problème est donc l’inflation des paramètres de calibration quirésulte de la discrétisation appliquée, même si la plupart d’entre eux se révèlent forcément peusensibles. Beven (1989) cite l’exemple de l’application du SHE au petit bassin du Wye : 2 400paramètres, dont 40 finalement retenus. A titre de comparaison, on admet en général que trois ouquatre paramètres sont en principe suffisants pour reproduire un débit mesuré à l’exutoire d’unbassin (Beven, 1989; Sorooshian, 1991).

Aussi, dès lors que l’on dépasse une poignée de paramètres, la calibration du modèle risquede conduire à plusieurs jeux de paramètres optimaux du point de vue des performances desimulation des débits, mais qui recouvrent bien des différences quant aux écoulements internes(Grayson et al., 1992). Il semble donc illusoire d’espérer simuler le fonctionnement spatialiséd’un bassin versant sur la seule base de l’évolution temporelle du débit à son exutoire carl’indétermination sur les flux internes est alors trop importante. L’essentiel des informationssupplémentaires que peuvent acquérir les modèles distribués, l’occupation du sol notamment, sedilue dans la prolifération des paramètres de calibration et ne peut par conséquent guères’exprimer en termes de pouvoir prédictif.

Enfin, la nature particulière de TOPMODEL apporte un éclairage important sur laproblématique de calibration des modèles. Parce que le modèle n’implique qu’une poignée deparamètres (approche semi-distribuée), leur optimisation, a priori, n’est pas plus délicate quecelle d’un modèle global. TOPMODEL fournit donc en principe une information sur ladynamique de l’extension des zones saturées qui nous renseigne approximativement sur leschemins de l’eau, c’est-à-dire sur les lieux où la pluie s’infiltre ou ruisselle directement sur deszones d’exfiltration. Cependant, les travaux les plus récents (Duan et al., 1992; Beven, 1993)montrent qu’en dépit du faible nombre de paramètres, de nombreuses paramétrisations permettentune simulation des débits adéquate; mais les paramètres sont franchement dispersés dans l’espacedes paramètres, et s’ils se compensent mutuellement à un niveau global, les schémas internes sontmalheureusement variables.

Ambroise (1991) rappelle par ailleurs que la calibration d’un modèle joue également un rôleimplicite de compensation sur les seuls paramètres de calibration de l’ensemble des erreurs liées àla structure des modèles (limite théorique des équations et approximations utilisées pour ensimplifier la résolution), et à l’insuffisance et aux limites des données disponibles en termes deconditions initiales. Aussi n’est-il pas étonnant que les seules chroniques pluie-débit ne soient pasassez contraignantes pour permettre de discriminer, au sein d’une structure de modélisationspatialisée, le jeu de paramètres qui correspondrait à la représentation spatiale des processus laplus probable.

CONCLUSIONS

Le problème d’échelle

Si aux larges échelles spatiales (>100 km²) et temporelles (bilan annuel), de simples formulationsempiriques semblent permettre des estimations de débit raisonnables (Dooge, 1994), lesdifficultés s’accumulent aux plus petites échelles à cause du caractère saisonnier du climat et dela végétation, et de la variabilité spatiale des caractéristiques du bassin.


C’est ce que Beven (1995) appelle le problème d’échelle; on ne sait pas vraiment déduire dela description physique et géomorphologique d’un bassin une connaissance des mécanismes qui yprédominent et de la relation pluie-débit (Grésillon, 1994). Au terme de cette analyse, il apparaîtque les modèles qui « prétendent » dépasser l’empirisme des approches purement globales ne sontqu’une réponse pragmatique à ce problème; elle présuppose des mesures de débit à l’échelleappropriée qui sont censées permettre l’apprentissage des modèles, à savoir la calibration de leursparamètres.

Les prédictions dans ce contexte semblent alors d’autant plus risquées que l’adéquation entreles processus modélisés et les processus observés sur le bassin est mal vérifiée, et que lesconditions hydrologiques sont différentes de celles enregistrées sur la période de calibration dumodèle.

Adéquation entre processus modélisés et processus observés

Les modèles hydrologiques, mêmes les plus sophistiqués, ne sont que de grossièresapproximations d’une réalité complexe et aujourd’hui encore ils sont essentiellement utilisés pourprédire les débits de réponse d’un bassin aux événements pluvieux extrêmes à partir d’un« minimum » d’observations pluies-débits préalables. Quand bien même l’intérêt ne porterait pasà présent sur les flux internes aux bassins, il convient de veiller à ce que la modélisation soitbasée sur une représentation sensiblement correcte des mécanismes du ruissellement identifiés surle bassin, afin que l’extrapolation temporelle qui est pratiquée puisse être guidée sur la base laplus rationnelle qui soit.

Fort heureusement pour l'hydrologie des régions arides ou semi-arides, le mécanismehortonien, implicite dans la plupart des approches globales de modélisation, est largementreconnu comme dominant. Cependant, les concepts associés de production et de transferts'inscrivent dans un schéma agrégatif discutable : l'eau produite à la surface des zones les pluséloignées du réseau hydrographique risque fort de se réinfiltrer en chemin peu après la fin de lapluie, d’où l’intérêt d’une approche spatialisée, mais qui souffre actuellement d’unereprésentation « hydraulicienne » des écoulements, jugée inadéquate.

Dans les climats humides à tempérés, TOPMODEL, parce qu’il exploite astucieusement leconcept de zones contributives d’aire variable, jouit d’une popularité croissante. L’attrait pour cemodèle tend néanmoins à déplacer son utilisation au-delà de ses frontières théoriques, là où lesconditions d’un affleurement de la nappe phréatique ne sont pas satisfaites, alors que sonapplication devrait être réservée aux bassins qui présentent une extension visible des zonessaturées.

Vers une calibration des modèles plus robuste

Comme le montrent les récents travaux sur TOPMODEL, l’échec actuel des modèles spatialisés àsimuler les flux internes à un petit bassin vient du fait que les seules données pluie-débit nesuffisent pas à l’apprentissage de ce type de modèle, fût-il semi-distribué. Si cela pose problèmeconcernant la prévision de l’extension des zones saturées, cela soulève également certains doutesquant à la confiance que l’on peut accorder aux prédictions des modèles en simples termes dedébit.

Alors qu’un jeu de paramètres peut sembler optimal pour une période et une méthode decalibration donnée, ce même jeu est certainement bien moins performant que d’autres


paramétrisations sur d’autres périodes. Aussi, la démarche classique qui consiste à ne rechercherqu’un optimum particulier pour appliquer ensuite ce jeu de paramètres en prédiction atteint seslimites. Comme le dit si bien Ambroise (1991), il semble ainsi paradoxal, et mêmedéontologiquement problématique, de se contenter d’une modélisation déterministe qui ne permetpas d’assortir les prédictions des modèles d’une marge d’incertitude ou d’un intervalle deconfiance.

Une approche stochastique à la calibration des modèles est nécessaire. Elle n’est passuffisante (Gineste, partie II); il s’agit encore de chercher toute information sur l’état interne d’unbassin susceptible de contraindre plus efficacement la calibration des modèles.

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Télédétection spatiale et modélisation dufonctionnement hydrologique des petits

bassins versants

II. Etat de l’art du couplage et perspectivesdes hyperfréquences

RESUMÉ

Si la télédétection optique n’a guère permis de caractériser le fonctionnementhydrologique des petits bassins versants, elle semble permettre en revanche d’envisager,dans les régions arides à semi-arides, de prédire la réponse d’un bassin à la pluie sans enmesurer le débit à l’exutoire. L’avènement de l’imagerie radar, de par sa sensibilité àl’humidité superficielle des sols, offre par ailleurs en milieu humide à tempéré notamment,de précieuses perspectives d’étude des processus du ruissellement à l’échelle d’un bassin etun fort potentiel d’amélioration des prédictions des modèles.

ABSTRACT

Even if remote sensing did not yield a better understanding of the functioning of smallcatchments yet for arid to semi-arid areas it points towards the prediction of an outletdischarge without any prior measurement. Because of its sensitivity to superficial soilmoisture, radar imagery, especially in humid to temperate climates, offers valuablepossibilities both to study the runoff generating processes at the catchment scale and toimprove the predictions of the models.

INTRODUCTION

Ni les flux internes à un petit bassin versant, ni même les débits à son exutoire, ne peuvent êtreprédits avec confiance par les modèles hydrologiques actuels (Gineste, partie I).

Cette situation découle en partie de la complexité des processus de génération des débits, maisaussi des difficultés à étudier le milieu naturel en conditions contrôlées. Il n’est pas possibled’appliquer des précipitations contrôlées à l’échelle d’un bassin ou encore de maîtriser l’ensembledes conditions initiales. Chaque événement est unique et survient dans des conditionsparticulières; mais l’on est souvent contraint de supposer que les phénomènes étudiés sontstationnaires.

Philippe GinesteLaboratoire commun de télédétection, CEMAGREF-ENGREF, Montpellier, France

Session 3 : Etat de l’art du couplage et perspectives des hyperfréquences380

La télédétection spatiale offre une possibilité unique d’observation et de suivi du milieunaturel qui a permis de nombreuses applications en hydrologie (Caloz et Puech, 1996) :caractérisation de l’occupation des sols et des couvertures végétale et neigeuse, inventaire desplans d’eau et de leur cubature, extraction de MNT par couple d’images des grandes lignes duréseau hydrographique, estimation des précipitations et de l’évapotranspiration, etc. Cependant,la liaison entre les informations requises par la modélisation hydrologique des petits bassinsversants et les informations disponibles en télédétection n’est pas évidente (Caloz et Puech,1996) : comment passer de la luminance spectrale des différents pixels du bassin au débit à sonexutoire? On propose un bref état de l’art en la matière, avant d’envisager l’apport potentield’une technologie spatiale plus récente, la télédétection radar.

COUPLAGE TÉLÉDÉTECTION-MODÉLISATION HYDROLOGIQUE

Toutes les méthodes d’assimilation des données satellitaires reposent sur un même schéma qui sedécompose en plusieurs étapes (Caloz et Puech, 1996) :

• identification de l’occupation des sols,• transformation en indice ou fonction de production de ruissellement,• agrégation à l’échelle globale du bassin.

Les différentes classes d’occupation du sol sont obtenues à partir des images (visible etproche infrarouge) par classification multispectrale ou par segmentation d’indice de végétation.L’intégration de l’information satellitaire à la modélisation hydrologique s’opère lors de laseconde étape qui consiste à associer un certain potentiel de ruissellement à chacune des classesd’occupation du sol (Duchon et al., 1992). Ce sont typiquement les tables du SCS curve numberqui sont utilisées (Ragan et Jackson, 1980), parce qu’elles fournissent une estimation de la lameruisselée selon le type de sol - à déterminer par ailleurs - et son occupation (tableau 1). Cesestimations sont malheureusement entachées d’une forte dispersion. L’agrégation s’opère enprincipe ensuite pour traduire le transfert des contributions des diverses parcelles jusqu’àl’exutoire du bassin; elle intervient sinon implicitement sous la forme d’un pourcentaged’occupation du sol lorsque la fonction de production s’applique directement à l’échelle dubassin.

En outre, parce que ces méthodes reposent sur des concepts - production et transfert - quis’inscrivent dans le schéma hortonien d’un ruissellement à la surface des sols (Gineste, partie I),leur champ d’application semble structurellement limité aux bassins des régions arides à semi-arides. Leur efficacité dépend alors en premier lieu de la « force » de la liaison entre l’occupationd’un type de sol et sa capacité d’infiltration, que l’on analyse par la suite sur la base des travauxréalisés dans une région typiquement hortonienne, le Sahel.

Du concept d’état de surface

Depuis les années 50, l’ORSTOM a étudié plus d’une centaine de bassins expérimentauxsahéliens dans l’optique d’établir une typologie basée sur les caractéristiques des bassins. Contretoute attente, la nature des sols ne s’est pas révélée un facteur discriminant vis-à-vis desruissellements observés (Dubreuil et al., 1975). D’intensives campagnes de simulation des pluiesassociées à une étude pédologique détaillée des horizons superficiels du sol ont alors montré quela capacité d’infiltration des sols est sous la dépendance quasi exclusive des propriétés de lasurface du sol, et en particulier de son encroûtement (Casenave et Valentin,


TABLEAU 1Valeurs du Curve Number pour différentes occupations du sol (conditions initiales d’humidité II)(d’après Ragan et Jackson, 1980)

Land use description Hydrologic Soil GroupA B C D

Cultivated land: Without conservation treatment With conservation treatmentPasture or range land: Poor condition Good conditionMeadow Good conditionWood or forest land: Thin stand, poor cover, no mulch Good coverOpen spaces, lawns, parks, golf courses, cemeteries, etc.: Good condition, 75% grass cover Fair condition, 50-75% grass coverCommercial and business areas (85% impervious)Industrial districts (72% impervious)Residential: Average lot size 1/8 acre or less (65% impervious) 1/4 acre (38% impervious) 1/3 acre (30% impervious) 1/2 acre (25% impervious) 1 acre (20% impervious)Paved parking lots, roofs, driveways, etc.Streets and roads: Paved with curbs and storm sewers\ Gravel Dirt

7262

6839

30

4525

39498981

776157545198

987672

8171

7961

58

6655

61699288

857572706898

988582

8878

8674

71

7770

74799491

908381807998

988987

9181

8980

78

8377

80849593

928786858498

989189

A : low runoff potentialB : moderate infiltration rateC : slow infiltration rateD : high runoff potential

1989). Cela a conduit à définir une typologie des états de surface qui présente l’avantaged’associer à chaque type d’états de surface une équation empirique issue des mesures desimulation de pluie, qui exprime la lame d’eau ruisselée en fonction de la pluie et d’un indiced’humidité antérieure.

La liaison état de surface - capacité d’infiltration d’un sol est ainsi établie (à l’échelle dusimulateur), mais qu’en est-il du lien entre les états de surface et les thèmes identifiables sur lesimages, à savoir typiquement l’occupation du sol ? S’il est clair que la mise en culture des solsfavorise la formation de croûtes de battance pratiquement imperméables - néanmoins susceptiblesd’évoluer au fil de la saison selon les pratiques culturales (sarclage) -, les travaux de Puech(1993) apportent, concernant les zones naturelles, un premier élément de réponse semble-t-il plusnuancé. Parce que certaines caractéristiques participant à la définition des états de surface sontfranchement inaccessibles par télédétection, comme le nombre de micro-horizons constitutifs d’untype de croûte ou encore l’activité de la mésofaune, Puech (1993) propose une méthode en deuxétapes où le passage aux états de surface s’opère de façon statistique à partir de l’observationterrain de leur distribution pour chaque thème identifié au préalable sur les images. Il semblecependant que la stabilité des liens statistiques ne soit vérifiée qu’assez localement; autrement dit,


un même thème de surface sur des bassins différents risque de recouvrir des distributions d’étatsde surface différentes, conduisant à des lames ruisselées différentes elles aussi.

Du rôle des images

A la lumière du principe général du couplage et de la méthode plus complexe esquisséeprécédemment, les images servent à identifier des thèmes de surface, variables en nature maissurtout en taille, selon que l’on souhaite caractériser de grandes zones sensiblement homogènes(par dégradation de l’information spatiale), des parcelles agricoles, ou encore que l’on cherchecomme Puech (1993) à déterminer pour chaque pixel une combinaison d’information surl’occupation des sols (sol cultivés ou non, indice de végétation) et les sols eux-mêmes; les solssahéliens présentent en effet la particularité d’une caractérisation possible depuis l’espace.L’étape statistique, qui consiste à transformer ces plans primaires en termes d’états de surface,permet alors d’alimenter le modèle « simulateur » de l’ORSTOM. Ainsi, les images n’apportentpas une information qui ne serait pas disponible sur le terrain; elles sont utilisées pour alimenterles modèles à moindre coût de l’ensemble des paramètres requis à l’échelle du bassin, enextrapolant les différents thèmes de surface présents sur un bassin à partir des thèmes reconnusau sol sur une zone d’apprentissage.

De la nature des modèles

Les modèles qui ont permis l’assimilation des données satellitaires sont des modèles empiriquesqui proposent de déterminer la réponse hydrologique d’une portion de sol (simulateur) ou d’uneparcelle (SCS) à partir de caractéristiques observables sur le terrain (occupation du sol, état desurface). Ces modèles s’appliquent par ailleurs typiquement à l’échelle globale de l’événementpluvieux, c’est-à-dire qu’ils ne fournissent qu’une estimation du volume total ruisselécorrespondant à une certaine quantité de pluie, qu’il s’agit ensuite d’agréger à l’échelle du bassin.

Chevallier (1985) propose néanmoins une fonction de production qui permet d’utiliser lesrésultats de la simulation des pluies lorsque les pas de temps du modèle sont plus courts que ladurée de l’événement pluvieux considéré. Le modèle utilisé, MODLAC (Girard, 1982), discrétisel’espace géographique en mailles de taille variable qui tendent à s’adapter aux grands thèmes desurface présents sur le bassin (sables vifs, altération avec cuirasse, végétation de bas-fonds, parexemple). A chaque thème identifié par télédétection correspond une fonction de production et letransfert est calculé à l’exutoire de chaque sous-bassin par la méthode des isochrones. Aprèscalage des seuls paramètres du transfert, le modèle semble capable de simuler correctement lesévénements extrêmes observés sur le bassin de la mare d’Oursi au Burkina Faso. Albergel et al.(1987) ont ensuite transposé ce modèle aux bassins de Gagara situés à une cinquantaine dekilomètres de la mare d’Oursi (sur la même image Landsat) en utilisant les mêmes fonctions deproduction et paramètres de transfert. Les hydrogrammes de crues ainsi obtenus sont jugéssatisfaisants.

Problèmes de changement d’échelle

Les problèmes de changement d’échelle (scaling problem) interviennent au niveau de chacune desfonctions des modèles, production et transfert.

Au niveau de la production, les expressions dérivées des expérimentations de simulation despluies sont appliquées telles quelles à l’échelle d’un pixel de l’ordre de 900 m², additionnées auprorata des états de surface constitutifs d’un pixel. Si cela peut se justifier à la lumière des


travaux de Collinet (1985) qui, sur des parcelles cultivées tout du moins, n’observe pas dedifférence significative entre des simulateurs de 1 m² et de 50 m², l’application de ces mêmesfonctions de production à l’échelle plus large d’une zone « homogène » paraît nettement plusdélicate.

Il en est de même concernant le transfert où le saut d’échelle peut facilement atteindre quatreou cinq ordres de grandeur dans le cadre d’une approche distribuée à l’échelle du pixel. Leschéma d’agrégation le plus immédiat suppose l’additivité des contributions locales (Puech,1993); il repose sur l’hypothèse selon laquelle la production d’un pixel se concentre en petitesrigoles qui se rejoignent rapidement pour établir des chemins préférentiels jusqu’au ruisseau,limitant ainsi les possibilités d’infiltration en chemin (Planchon, 1991). Puech (1993) obtient desrésultats raisonnables sur deux des trois bassins étudiés, avec des facteurs d’échelle entre lameprédite et lame totale observée de 47 et 90 % sur les bassins de Thyssé Kaymor au Sénégal. Lebassin de Ndorola, situé en revanche dans une région à la fois plus humide (frange soudano-sahélienne du Burkina Faso) et moins cultivée, ne restitue que 5 % de la lame prédite par la mêmeméthodologie. L’hypothèse d’additivité n’y est donc plus acceptable.

En fait, certaines zones naturelles, comme les brousses tigrées ou les cuirasses ferrugineuses(apparentes sur les images), sont connues pour ne produire qu’un ruissellement global négligeablemalgré de forts potentiels locaux (Rodier, 1992), ce qui soulève finalement le problème de ladépendance d’échelle des concepts mêmes de production et de transfert.

Conclusions

Les méthodes précédentes semblent structurellement limitées aux régions hortoniennes et nesemblent donc guère applicables sous les climats plus humides où ce n’est théoriquement pasl’occupation du sol qui conditionne le ruissellement d’une parcelle, mais plutôt la position de cetteparcelle dans la toposéquence et les conditions d’humidité initiales du versant. Elles sont de plusfondamentalement basées sur l’existence d’un lien empirique entre la production de ruissellementet les thèmes de surface télédétectés, lien qui, s’il est établi à certaines échelles spatiales ettemporelles, mériterait de profondes vérifications avant d’être extrapolé à d’autres échelles.

S’esquisse en revanche la possibilité d’utiliser ces modèles en transposition, c’est-à-dire pourla prédiction du comportement d’un bassin non instrumenté. Ce type d’application, quicorrespond aux besoins réels des aménageurs, est favorisé au Sahel par la prédominance du seulprocessus hortonien et une bonne visibilité de la surface des sols à la fin de la saison sèche. Iloffre un champ de recherche considérable en télédétection car les méthodes empiriques existantesn’utilisent que quelques descripteurs géomorphologiques globaux (superficie du bassin, indice depente, par exemple) pour la régionalisation des paramètres hydrologiques comme le débit de cruedécennal (Rodier et Auvray, 1965; Puech et Chabi-Gonni, 1983). Nul doute que de nouvellesétudes statistiques qui incluraient les données de télédétection permettraient d’améliorerconsidérablement la très faible précision de ces méthodes.

Cependant, à mesure que l’échelle temporelle considérée s’affine jusqu’à la simulation encontinu de la réponse d’un bassin, les estimations empiriques de production se fragilisent tandisque les problèmes liés au transfert des écoulements de surface s’accentuent (Gineste, partie I), sibien que la transposition d’un modèle de simulation ne semble pouvoir s’envisager avec confianceque lorsqu’une meilleure compréhension des processus le permettra.


GÉNÉRALITÉS SUR LA TÉLÉDÉTECTION RADAR

Lancé en juillet 1991, ERS-1 est le premier satellite radar permettant des acquisitions régulièresde façon opérationnelle. Son prédécesseur, SEASAT, n’a en effet fonctionné que trois mois en1979. Cette technologie, qui procure une résolution spatiale voisine de celle des capteurssatellitaires optiques, connaît depuis peu un développement considérable, comme en témoignentles récents lancements des satellites ERS-2 (européen), JERS-1 (japonais), et RADARSAT(canadien).

Le principe consiste à capter, non plus le rayonnement solaire réfléchi par une surface(visible, proche et moyen infrarouge), ni le rayonnement électromagnétique propre des corps(infrarouge thermique, micro-ondes passives), mais le rayonnement rétrodiffusé par l’illuminationde cette surface dans le domaine des hyperfréquences. Parce qu’ils possèdent leur propre sourced’illumination, les capteurs radar permettent des acquisitions de jour comme de nuit; la gammedes hyperfréquences utilisées (0.3 - 15 Ghz), qui correspond à une transparence de la vapeurd’eau, les affranchit d’autre part des perturbations atmosphériques.

Les capteurs radar sont également ceux qui présentent le plus fort potentiel d’estimation del’humidité des sols depuis l’espace parce qu’ils permettent une mesure directe des propriétésdiélectriques de la cible, qui sont étroitement liées à la teneur en eau du fait de la disparité despermittivités diélectriques d’un sol sec, de l’ordre de deux à cinq, et de l’eau, 80 à 20°C (Van deGriend et Engman, 1985). Le signal rétrodiffusé, cependant, dépend également descaractéristiques de la visée et du capteur, de l’humidité volumique du couvert végétal et de larugosité de la cible, c’est-à-dire son micro-relief (Ulaby et al., 1986).

De nombreuses expérimentations aéroportées ont permis de préciser les configurations lesmieux adaptées à l’estimation de l’humidité superficielle des sols. Aucune cartographie ne semblecependant pouvoir être obtenue à partir d’un capteur radar simplement configuré, comme le sontaujourd’hui les capteurs embarqués sur des plates-formes satellitaires qui ne fonctionnent qu’avecune seule fréquence et polarisation. Même lorsque les sols sont nus, il est en effet logiquementtrès difficile de séparer la composante de rugosité du sol de celle de l’humidité à partir d’un seulcoefficient de rétrodiffusion. Aussi, la recherche s’est-elle orientée vers l’utilisation de radars pluscomplexes (plusieurs polarisations, fréquences variables, angle d’incidence variable, etc.) afind’estimer conjointement l’humidité superficielle des sols et leur rugosité effective (Dubois et VanZyl, 1995). Le modèle empirique de Oh et al. (1992), qui utilise des données polarimétriques enbande L, permet une mesure précise de l’humidité volumique dans les cinq premiers centimètresdu sol lorsque la végétation ne dépasse pas 15 cm (Ulaby et al., 1996).

La télédétection radar semble par conséquent capable de cartographier l’humiditésuperficielle des sols sous des couverts suffisamment épars à l’horizon du troisième millénairegrâce au développement des capteurs multi-configurés (programme EOS, Way et Smith, 1991).Cette information intéresse bon nombre d’applications agro-climatologiques de par le rôleprivilégié de l’humidité superficielle des sols à l’interface du complexe sol-végétation-atmosphère.Elle permettrait notamment d’améliorer les techniques d’estimation de l’évapotranspiration réellepar la déconvolution de la température radiométrique (infrarouge thermique) en ses composantessol et végétation, techniques dont la validation est par ailleurs délicate sans la connaissance de ladistribution des humidités sur un bassin (Price, 1980).

En hydrologie de bassin s’ouvre la voie d’une mesure spatiale d’une variable d’état dusystème à une échelle compatible avec celle des modèles distribués. Après avoir vérifié comment


les « humidités radar » se comportent vis-à-vis des mesures d’humidité au sol et des moyennesspatiales de ces mesures, ce qui laisse présager certaines difficultés théoriques (Charpentier etGoofman, 1992; Van Oevelen et al., 1995), l’on serait certes tenté d’essayer d’intégrer cesnouvelles données dans une approche de modélisation. Une étape préliminaire, consiste cependantà reconnaître la complexité de la genèse des crues en général : diversité des processus, sourcesvariables dans le temps et l'espace, mélange d'eaux plus ou moins souterraines et écoulements desurface, etc. L’étude des processus du ruissellement, sous cet éclairage, apparaît alors comme uneperspective des plus intéressantes.

PERSPECTIVES D’ÉTUDE DES PROCESSUS DU RUISSELLEMENT

On distingue trois domaines d’étude essentiels : le premier concerne la caractérisation de l’échelleet du fonctionnement d’unités hydrologiquement homogènes; il est considéré par Engman etGurney (1991) comme une des principales attentes vis-à-vis de la télédétection. Suivent lesperpectives d’identification des zones saturées et des zones d’érosion.

Zones hydrologiquement homogènes

La télédétection permet de découper l’espace en fonction de critères d’homogénéité portant sur lesréponses des divers canaux du spectre électromagnétique.

Rien ne garantit cependant qu’une zone identifiée comme homogène du point de vue de lavision satellitaire optique conserve une certaine homogénéité d’un point de vue hydrologique. Lasensibilité du signal radar à l’humidité du sol offre en revanche la possibilité d’une segmentationde l’espace fortement liée à une variable d’état du système hydrologique. En outre, lorsque lesobservations sont suffisamment fréquentes (telles les phases d’acquisition à trois joursd’intervalle par le satellite ERS-1), une approche relative qui considère les variations du signalcomme un indicateur des variations de l’humidité superficielle des sols permet de s’affranchir desfacteurs qui perturbent l’interprétation du signal (figure 1).

Ainsi, si les satellites radar ne permettent pas actuellement de livrer une image spatialiséeprécise de l’humidité des sols, ils semblent néanmoins pouvoir fournir des indications précieusessur la structure spatiale des zones hydrologiquement homogènes ainsi que sur la dynamiquetemporelle de ces zones. Peut-on ensuite relier l’observation de différentes dynamiques dedrainage superficiel des sols aux caractéristiques morpho-pédologiques du bassin, à la profondeurde la nappe phréatique, ou encore à la présence de chemins préférentiels naturels (fissures,macropores) ou artificiels (drains, fossés) ?

Zones saturées

Siège de processus géochimiques particuliers comme la dénitrification, le rôle des zones saturéesdans le fonctionnement des bassins humides est essentiel. Elles sont également les limitesnaturelles de divers processus hydrologiques : refus d’infiltration, exfiltration, rétention desurface, et ruissellement de surface. Cependant, le comportement du signal radar aux forteshumidités est encore très mal connu car la plupart des études se sont limitées à une plaged’humidité qui ne dépasse pas la capacité au champ.


FIGURE 1Classification non supervisée (ISODATA) appliquée sur un ensemble de 15 images ERS-1acquises du 28/01/92 au 28/03/92 sur le bassin breton du Coet-Dan, préalablement filtrées, etnormalisées par rapport au coefficient de retrodiffusion maximal observé sur cette période


Une des applications opérationnelles de la technologie radar concerne pourtant le suivi desinondations; elle s’appuie sur une décroissance marquée du signal résultant de la réflexionspéculaire de l’onde à la surface de l’eau. Sur le même principe, un critère de seuillage auxfaibles intensités radar a été proposé pour suivre l’extension des zones saturées (Brun et al.,1990). Nos premières tentatives d’application à partir des images ERS-1 montrent cependant quece schéma de détection ne semble pas pertinent à l’échelle des petits bassins où la saturationn’implique pas nécessairement une forte présence d’eau libre à la surface des sols.

Il semble donc qu’il faille attendre que la technologie radar permette une estimation absoluede l’humidité superficielle d’un sol, à moins de formuler l’hypothèse d’une plus grandepersistance de l’humidité superficielle pour ces zones, liée à l’alimentation des nappessous-jacentes, et se traduisant par la plus faible variation possible de l’humidité (et parconséquent du signal radar).

Zones d’érosion

La sensibilité du signal radar au micro-relief de la cible permet en principe de détecter deschangements de rugosité même si le lien entre la rugosité effective perçue par le capteur et larugosité du sol n’est pas évident.

Si d’autre part seule l’information en puissance (le coefficient de rétrodiffusion) estcouramment disponible et utilisée, les progrès techniques récents ont montré l’intérêt del’interférométrie pour la génération des MNT et l’étude des changements superficiels des surfacesterrestres (Massonnet et al., 1993). Interviennent alors de nouvelles variables, à savoir ladifférence de phase entre deux acquisitions aux géométries sensiblement identiques (principe del’interférométrie) ou encore le degré de cohérence, qui sont très sensibles aux modifications dumicro-relief survenant entre l’acquisition d’un couple d’images (Wegmüller et Werner, 1995), etqui permettent par conséquent d’envisager de repérer les manifestations de l’érosion hydrique dessols et d’en suivre l’évolution spatiale et temporelle.

PERSPECTIVES D’ASSIMILATION PAR LES MODÈLES HYDROLOGIQUES

D’un point de vue théorique, le champ d’application des humidités radar dans le domaine de lamodélisation hydrologique paraît considérable; elles peuvent en effet servir : • à la confrontation avec les prévisions des modèles distribués,• à l’initialisation ou à la réinitialisation périodique de l’état hydrique des modèles,• à la calibration des modèles spatialisés.

D’un point de vue pratique cependant, ne serait-ce qu’à partir de l’observation au sol del’extension des zones saturées, les efforts pour valider les simulations du fonctionnementhydrologique interne à un bassin sont rarissimes (Ambroise et al., 1995). Engman et al. (1989)ont utilisé les hyperfréquences passives (aéroportées) pour suivre l’évolution de la structurespatiale des humidités résultant du drainage et de l’évapotranspiration sur un petit bassin forestierde 37 ha; ces observations ont permis d’identifier les zones contribuant au débit de base et decontrôler les résultats d’un modèle d’écoulement subsuperficiel (Sloan et Moore, 1984). Goodrichet al. (1994) ont également utilisé les micro-ondes passives pour étudier la sensibilité, àdifférentes échelles, des conditions initiales de l’humidité d’un bassin sur la simulation des


écoulements de surface par le modèle Kineros (Woolhiser et al., 1990). Leurs résultats montrentqu’une estimation moyenne semble suffisante au regard des incertitudes liées à l’estimation desprécipitations, mais l’information sur l’humidité des sols est certainement plus importante sousles climats plus humides où la distribution initiale de l’humidité conditionne directementl’extension spatiale du ruissellement. A ce jour enfin, aucun exemple d’utilisation de l’humiditédes sols pour la calibration d’un modèle spatialisé n’existe.

Les possibilités d’utilisation des humidités radar par les modèles hydrologiques demeurentpar conséquent largement inexplorées. Si les auteurs qui se sont intéressés à cette perspective decouplage soulèvent le faible potentiel d’assimilation de ces données par les modèles existants(Peck et al., 1981; Vauclin, 1983; Schultz, 1988), et le risque qui en résulte de ne pouvoiraméliorer les estimations des modèles (Engman et Gurney, 1991), diverses stratégies sontpourtant envisageables. De même que la différence de fonctionnement des bassins selon leur zoneclimatique engendre des perspectives d’étude des processus hydrologiques différentes, considérerles possibilités d’assimilation de l’information radar par les modèles hydrologiques requiert aussisemble-t-il de distinguer les bassins hortoniens des bassins plus humides.

Modélisation des bassins hortoniens

Il est apparu dans la première section que les modèles qui utilisent les données satellitairesoptiques pour caractériser la surface d’un bassin sont typiquement empiriques et parfois aussibasés sur le concept de zones hydrologiques homogènes. L’intégration des informations radar esttout d’abord envisagée dans le cadre de ces modèles avant de considérer les perspectives desapproches plus physiques.

Modèles empiriques et conceptuels

Le radar apporte en premier lieu un complément d’information potentiellement synergique parrapport aux données optiques, susceptible d’améliorer d’une part la caractérisation des états desurface (rugosité, cohérence de phase), d’autre part la définition de zones hydrologiquementhomogènes.

Concernant les humidités, la méthode du SCS curve number distingue schématiquement troisconditions d’humidité antérieures que l’on pourrait apprécier à partir de l’information radar entenant compte en outre de la variabilité spatiale. Il en est de même des méthodes basées sur lesexpérimentations de simulation des pluies qui font également intervenir un indice d’humidité,calculé à défaut globalement à partir des précipitations antérieures. Cependant, l’informationradar ne sert à ce niveau qu’à raffiner le traitement de la production de ruissellement qui, s’il estconduit à l’échelle du pixel, apparaît déjà trop sophistiqué par rapport au traitement du transfertdes écoulements.

On peut alors envisager, lorsque les fonctions de production s’appliquent à l’échelle degrandes zones homogènes, de déterminer s’il existe des paramètres de transfert propres à chacundes thèmes de surface par le calage d’un modèle de simulation, qui utilise par exemple commeChevallier (1985) la méthode des isochrones. Cette approche désagrégative a d’autant plus dechances de succès que l’on aura multiplié les observations de débits à l’échelle de sous-bassins;elle peut également s’appliquer au calage des fonctions de production, ou plus sûrement à ladétermination de coefficients de ruissellement propres à chaque thème.


Cependant, les concepts de production et de transfert, d’une part dépendent de l’échelled’application, et d’autre part tendent à désynchroniser des processus concomitants. Aussi est-onnaturellement conduit à envisager la modélisation « physique » des écoulements de surface.

Modèles physiques

Le modèle Kineros (Woolhiser et al., 1990) permet un transfert synchrone des excès d’infiltrationlocaux qui sont calculés en fonction des précipitations et du degré de saturation du sol, maiségalement en fonction des ruissellements amont, si bien que l’eau peut continuer de s’infiltrerlorsque la pluie cesse. L’infiltration est calculée suivant le modèle de Smith et Parlange (1978);partant des équations de Richards, ils obtiennent une formulation analytique de la capacitéd’infiltration qui n’implique que deux paramètres que l’on peut soit calculer à partir despropriétés du sol, soit calibrer par des mesures d’infiltration. Cette formulation permet ainsid’introduire simplement l’effet de l’humidité des sols dans une approche distribuée, maisn’échappe cependant pas au manque de réalisme d’une représentation des écoulements en nappe(Gineste, partie I).

Aussi, si l’on ajoute le facteur de friction, trois paramètres spatialisés semblent suffire pourdécrire le ruissellement auquel s’ajoute bien entendu la topographie. Certes un peu simpliste, cetteprésentation souligne cependant le moindre degré de complexité lorsque les processus sontessentiellement contrôlés par la surface des sols. Peut-on alors obtenir ces paramètres partélédétection ? Existe-t-il une combinaison de luminances spectrales susceptible d’être corréléeavec les valeurs des paramètres issues de larges infiltromètres (dont la taille souhaitable seraitcelle du pixel) ? Pourra-t-on relier la rugosité effective perçue par le satellite à la rugositéhydrodynamique du sol ?

Modélisation des bassins humides

La modélisation du fonctionnement hydrologique des bassins des régions humides à tempéréesprésente une difficulté particulièrement importante qui se retrouve au niveau de l’utilisationéventuelle des humidités radar : l’essentiel des transferts rapides s’effectue non plus à la surfacedes sols mais dans le sol lui-même alors qu’il n’est guère possible de connaître sescaractéristiques hydrodynamiques à l’échelle d’un bassin et que les humidités radar ne concernentpar ailleurs que les couches superficielles.

Aussi, la modélisation physique n’est-elle pas envisagée ici. Le lien entre l’humiditésuperficielle d’un sol et le comportement hydrologique du profil de sol sous-jacent n’est en effetpas évident, et les modèles physiques n’ont, semble-t-il, pas grand chose à apporter par rapportaux simplifications théoriques de TOPMODEL dans la mesure où le facteur sol reste largementinconnu.

Modèles conceptuels

Les approches conceptuelles globales apparaissent comme une solution pragmatique pour prendreen compte l’effet de l’humidité du bassin sur sa réponse hydrologique (Loumagne et al., 1991).Un travail actuellement en cours au CEMAGREF doit contribuer à l’amélioration de la prévisiondes débits du modèle GR4J qui a été adapté pour permettre l’intégration des données télédétectées(Chkir, 1994) par l’introduction d’un réservoir superficiel selon un schéma de Deardorff (1978).Seule une indication sur l’humidité moyenne du bassin est nécessaire; une amélioration sensible


est probable même si l’humidité moyenne d’une couche superficielle de quelques centimètresrecouvrant l’ensemble du bassin n’a guère de sens qu’au sein du modèle.

Une approche spatialisée est sans doute plus porteuse d’espoirs. Certains paramètrescontrôlant la capacité et la vidange des réservoirs du modèle conceptuel MC (Girard et al., 1981)sont par exemple déterminables à partir des propriétés hydrodynamiques des sols et des courbesde tarissement non influencé (Perrin et al., 1990; Ambroise et al., 1995). Aussi, l’utilisation desdonnées radar, qui permet une segmentation de l’espace davantage basée sur l’organisationspatiale des processus hydrologiques, pourrait peut-être fournir de précieuses indications sur leressuyage superficiel des réservoirs ainsi définis.

TOPMODEL

Les zones saturées sont l’information spatialisée de base que gère TOPMODEL. Si l’on peut ensuivre l’extension par télédétection, on peut alors envisager de modifier localement les valeurs del’indice contrôlant la saturation potentielle pour une meilleure adéquation avec l’observationspatiale.

Modification de la couche d’indice Déduit de simples considérations de drainage, l’indice qui exprime la propension relative de tel outel endroit du bassin à se saturer dépend non seulement de la topographie mais également de latransmissivité latérale du sol. Cette transmissivité, qui peut varier de deux ordres de grandeur surun même bassin, est souvent omise dans le calcul, c’est-à-dire qu’on la considère uniforme parnécessité.

Aussi serait-il judicieux d’essayer d’intégrer cette information par un ajustement local del’indice, ce qui ne peut cependant s’envisager que sur les parties effectivement saturées du bassin.L’observation de l’extension des zones saturées permettrait donc de lever partiellementl’hypothèse de l’uniformité des sols, à condition néanmoins de pouvoir valider les prévisionsspatialisées résultantes sur la base de nouvelles observations, c’est-à-dire de pouvoir vérifier lastabilité temporelle des modifications apportées. Cette perspective importante est néanmoinssubordonnée à la possibilité de simuler approximativement l’extension des zones saturées sur labase initiale de la topographie, ce que le calage du modèle sur les seuls débits à l’exutoire nesemble pas permettre (Gineste, partie I).

Intégration de l’information « zones saturées » dans le processus de calibration du modèle

Le développement des approches spatialisées a révélé l’ampleur des incertitudes associées auxprédictions des modèles. Si le concept d’un jeu de paramètres optimum n’apparaît plus valable,d’autres stratégies de calibration sont possibles, telle la méthode GLUE (Generalized LikelihoodUncertainty Estimation), développée par Beven et Binley (1992).

GLUE est une méthode bayésienne basée sur des simulations de Monte-Carlo qui gèreexplicitement la multiplicité possible des jeux de paramètres acceptables en les classant selon unemesure subjective traduisant l’ajustement aux données observées, tel le critère de Nash etSutcliffe (1970). La méthode permet ainsi d’assortir les prédictions de débit d’un intervalle deconfiance; elle permet également, lorsque davantage d’observations deviennent disponibles,d’ajuster la vraisemblance des diverses paramétrisations en utilisant l’équation de Bayes.


Cette approche n’aurait cependant que le mérite de quantifier les incertitudes liées à laprédiction des débits, si elle ne présentait pas une particularité essentielle : la nature desinformations utilisées pour ajuster les poids relatifs à chaque paramétrisation n’est pas imposée;il peut s’agir de nouveaux débits, mais également, par exemple, d’une estimation fournie parailleurs de l’extension des zones saturées à l’échelle du bassin. Cette méthode offre parconséquent la possibilité d’intégrer des informations sur l’état interne d’un bassin dans leprocessus de calibration du modèle. Elle permet de rejeter les paramétrisations auparavantacceptables du point de vue de la seule reproduction des débits qui ne satisfont pas àl’observation des processus internes.

CONCLUSION GÉNÉRALE

L’hydrologie de bassin est en transition (Klemes, 1986); de techniques d’ingénierie, elle estamenée à se développer en tant que science. Cependant, la modélisation du fonctionnementhydrologique des petits bassins ruraux, si elle puise aux sources des sciences exactes, reste un artbien délicat.

Sans doute aurait-on intérêt à davantage considérer l’hydrologie des bassins comme unescience naturelle (Caloz et Puech, 1996), en s’attachant notamment à la description deshydropaysages et à la mise en évidence de leur rôle hydrologique. Les travaux réalisés au Sahelmontrent que la télédétection offre à ce niveau un potentiel inexploré d’amélioration des méthodesstatistiques portant sur la prédétermination de la réponse hydrologique des bassins.

L’avènement de la télédétection radar complète avantageusement les données optiques et offrepar ailleurs de nouvelles perspectives en milieu humide à tempéré. Alors que le risque majeur enmodélisation provient de l’utilisation de modèles qui ne sont pas représentatifs des processusdominants du bassin versant étudié, le radar apparaît comme une technique de mesure despropriétés physiques de la surface qui permet d’accéder aux manifestations en surface desprocessus du ruissellement (saturation et érosion). Aussi serait-elle susceptible de valider leconcept de zones contributives, d’apporter un éclairage sur la structure spatiale des zonessaturées et leurs contributions relatives au débit selon les possibilités de connexions à la rivière, etpeut-être même enfin de préciser les limites de la dichotomie proposée quant au fonctionnementdes bassins hortoniens et humides.

Quant aux stratégies d’assimilation de l’information radar par les modèles, elles ont étédéclinées suivant les différents types de modèles existants. L’application la plus prometteuse - etsans doute aussi la plus immédiate car elle ne nécessite pas une information spatiale très précise -concerne l’intégration de l’information « zones saturées » dans le processus de calibration deTOPMODEL. Cela permet de poursuivre l’apprentissage du modèle en fonction d’observationsinternes au bassin, d’y intégrer une phase de validation portant sur les simulations internes quigarantit une meilleure adéquation entre les processus observés et modélisés, ce qui doit parconséquent permettre en retour d’améliorer la précision des estimations de débit.

Il apparaît enfin que les capteurs physiques de la télédétection tendent à rapprocherl’hydrologie des petits bassins versants d’une science expérimentale. Les conditions initiales etaux limites se précisent. Il devient bientôt possible d’accéder à l’humidité superficielle des sols,ainsi qu’à l’évapotranspiration réelle par le couplage radar et infrarouge thermique. Bien desespoirs sont donc permis quant à la validation ou l’invalidation des concepts et des hypothèsesutilisées en modélisation. De même qu’Ambroise et al. (1996) ont récemment proposé une


généralisation de TOPMODEL sur la base d’une analyse des courbes de récession, de nouvellesstructures de modélisation émergeront peut-être des observations satellitaires. N’est-il pasenvisageable que, de l’observation simultanée des débits et de la dynamique de ressuyage deszones saturées après de fortes crues, se dégagent (1) une meilleure compréhension dufonctionnement hydrologique, qui permettrait ensuite de mieux appréhender l’impact desprécipitations, et (2) des possibilités de transposition à des bassins non jaugés en milieu humide ?

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Modélisation hydrologique de petits bassinsversants ruraux sahéliens : apport de la

télédétection et des systèmes d’informationgéographique pour la détermination des

paramètres

RESUMÉ

Dans la région sahélienne, en Afrique subsaharienne, le ruissellement de surface estpratiquement la seule forme d'écoulement observée sur les bassins. Son importance dépenden partie de l'aptitude au ruissellement du bassin.

Dans cette étude, le paramètre numérique de ruissellement (CN, de la méthode SCS) estassocié à un modèle paramétrique pluie-débit (modèle SWRRB), conduisant à l'estimationde volumes de crue journaliers au niveau de quelques bassins sahéliens (mare d'Oursi auBurkina Faso). L'utilisation conjointe de la télédétection et des systèmes d'informationgéographique élargit l'horizon de la recherche en permettant la détermination synthétiquedu potentiel de ruissellement. La démarche est significative et conduit à une modélisationsatisfaisante des écoulements.

ABSTRACT

In the Sahelian zone, as for the whole subSaharan area, surface runoff is in fact the singleform of flow which is observed on the basins. Its importance is largely due to the runoffcapacity of the basin.

In this paper, the numerical runoff parameter (CN from the SCS method) is associatedwith a hydrological parametrical model (SWRRB) leading to the estimation of the dailyflood volumes of some Sahelian basins in the region of Oursi, in northern Burkina Faso.The use of remote sensing coupled with the Geographical Information System widens theoutlook of the research making possible the synthetic determination of the runoff potential.This approach is significant and leads to a satisfactory modelling of flows in the Sahelianzone.

INTRODUCTION

Dans la région sahélienne, le ruissellement de surface est pratiquement la seule formed'écoulement observée sur les bassins. Son importance dépend en partie de l'aptitude auruissellement du bassin.

A. Nonguierma, Centre régional AGRHYMET, Niamey, NigerS. Dautrebande, Faculté des sciences agronomiques de Gembloux, Gembloux, Belgique

Session 3 : Modélisation hydrologique en zone rurale sahélienne396

L'objectif de cette étude est d'appréhender les principaux hydrodynamiques agissant sur leprocessus pluie-écoulement de surface dans le contexte de petits bassins ruraux sahéliens.

Nous avons orienté l'étude vers un modèle paramétrique pluie-débit, qui demande ladétermination d'un potentiel de ruissellement conduisant, initialement, à l'estimation des valeursde volumes d'écoulement de crue au niveau des bassins versants étudiés. Le modèle est d'abordajusté et validé sur six bassins versants au Nord du Burkina Faso et ensuite utilisé pour simulerdes situations particulières (prédiction de la crue de récurrence décennale).

L'utilisation de la télédétection élargit l'intérêt de l'étude en permettant, d'une part, d'obtenirles informations sur le potentiel de ruissellement, paramètre hydrologique de base pour lasimulation de l'écoulement superficiel, d'autre part, de tester la sensibilité du modèle à toutemodification spatiale ou temporelle des différentes caractéristiques du bassin versant concerné.

CADRE DE L'ÉTUDE

Les six bassins étudiés font partie du grand bassin dit de la mare d'Oursi. Celui-ci est situé auNord du Burkina Faso, en zone climatique sahélienne. Il s'étend entre 14°33 et 14°41 Nord etentre 0°26 et 0°40 Ouest (figure 1). Le paysage de la mare d'Oursi est très complexe malgré unerelative homogénéité d'ensemble. Sous l'angle des caractéristiques hydro-dynamiques, on ydistingue (Chevallier et al, 1985) quatre grandes familles de paysages :

(i) Le système dunaire, correspondant à un erg ancien fixé, plus ou moins pédogénéisé avecdes sols brun-rouge subarides sur sables éoliens, ou des sols ferrugineux tropicaux peulessivés.

(ii) Les thalwegs et les dépressions, constitués par les marigots et la mare elle-même.

(iii) Les buttes et les reliefs provenant des sources variées : roches basiques, roches granitiques,paléosurfaces cuirassées peu disséquées.

(iv) Les grandes zones de glacis qui sont des paysages à surface relativement plane et de faiblepente, liées soit à des cuirasses ferrugineuses, soit à des affleurements rocheux.

Le climat de la région est de type sahélien sec, caractérisé par des températures moyennesélevées avec de fortes amplitudes, des valeurs moyennes mensuelles très fortes del'évapotranspiration potentielle (plus de 2 500 mm par an, méthode Penman), un régime deprécipitation marqué par une saison de pluie de moins de quatre mois, des averses de courte durée(les corps d'averses durent rarement plus de 30 minutes) et généralement de forte intensité et unepluviosité faible (465 mm par an en moyenne).

Au niveau de l'écoulement de surface, les observations montrent qu'il se produit entre 15 et 20crues par année. L'essentiel de l'écoulement provient du ruissellement consécutif à une ouplusieurs averses. Sur l'ensemble des bassins de la mare, il n'y a ni écoulement de base, ni mêmeécoulement hypodermique (Ribstein, 1990). Les coefficients d'écoulement sont très variables d'unbassin à l'autre, mais restent en moyenne très faibles. Sur la figure 2, nous avons reporté unexemple de valeurs des couples (pluies journalières, lames ruisselées) observées sur les bassins.


FIGURE 1Carte de situation de la région de la mare d’Oursi (Chevalier et al., 1985)

LA MODÉLISATION HYDROLOGIQUE

Le développement des modèles hydrologiques conceptuels a permis de mettre en évidencecertaines spécificités de la zone sahélienne lors de la transformation de la lame précipitée enlame ruisselée : difficulté d'estimation de la fonction de production et dépendance quasi exclusivede l'aptitude au ruissellement et des états de surface.

Le modèle SWRRB (Simulator for Water Ressources in Rural Basins), qui est utilisé danscette étude, est un modèle déterministe de simulation des processus hydrologiques, dans lequel lavariabilité spatiale des phénomènes est prise en compte à travers des caractéristiques moyennesou représentatives du bassin. Il a été développé d'abord aux Etats-Unis pour prédire en continu,au pas de temps journalier, le rendement en eau et en sédiments de bassins versants ruraux, assezgrands et complexes, en fonction de modifications ou manipulations du système (Arnold etWilliams 1989).

Le modèle est composé de trois sous-modèles : le sous-modèle climatique, le sous-modèlehydrologique et le sous-modèle érosion; un sous-modèle de croissance de culture est associé à cetensemble. Les composantes du sous-modèle hydrologique sont le ruissellement direct (volumes deruissellement et débits de pointe), la percolation, l'écoulement hypodermique ou retardé etl'évapotranspiration.


FIGURE 2Relation pluie - ruissellement observé sur le bassin versant de Taïma (76-80)

Le ruissellement de surface est estimé par les équations empiriques de l'approche proposéepar le US Soil Conservation (Chow 1964), en considérant que l'écoulement direct de crue descours d'eau peut être déterminé à partir d'une relation simple entre les hauteurs d'eau précipitéeset les lames d'eau écoulées, exprimée de la manière suivante :

R = −+

( . )

( . )

P S

P S

0 2

0 8 2(1)

où R est le ruissellement (mm)P est la hauteur totale de la pluie considérée (m)S est le paramètre de rétention (mm), estimée en fonction du complexe hydrologique sol -couverture végétale humidité du sol du bassin versant considéré.

LES DONNÉES DE BASE

La mise en oeuvre du modèle SWRRB nécessite l'acquisition d'informations sur le systèmehydrologique lui-même, ainsi que sur les phénomènes hydrologiques. On distingue deuxcatégories de données : les données d'ordre climatique et les données liées à la physiographie dubassin.

Les variables climatiques nécessaires pour exécuter le modèle SWRRB sont : lesprécipitations, la température et la radiation solaire. Les facteurs physiographiques comprennenttoutes les caractéristiques dépendantes de l'état du bassin versant : les types de sol, la végétation,l'occupation du sol, la topographie des terres, les techniques d'aménagement. Tous ces éléments,qui sont des composants usuels des modèles hydrologiques conceptuels, sont définis dans lemodèle SWRRB moyennant un paramètre global : le potentiel de ruissellement (CN ou "CurveNumber"). Celui-ci est déterminé pratiquement à partir de la connaissance de trois catégoriesd'information : les groupes hydrologiques de sol (infiltrabilité du sol), l'occupation moyenne du


sol à l'intérieur d'une rotation culturale et les pentes, intégrées et analysées contextuellement dansun système d'information géographique. Les correspondances établies pour la région de la mared'Oursi sont présentées dans le tableau 1.

TABLEAU 1Descriptif des catégories d'occupation du sol et valeurs de CN correspondantes (approche SCS).

OCCUPATIONDU SOL

ÉTATS DESURFACE

DESCRIPTION CONDITIONHYDROLOGIQUE

GROUPEDE SOLS

A B C D1. JACHÈRES(13.28%)

Cuirasses,buttes, altération,blocaille

Plages cuirassées, buttescuirassées et massifs rocheux.Sols lithiques. Couverturevégétale très faible à nulle. Défavorable 76 85 90 93

Sables vifs Végétation herbeuse àrecouvrement discontinu.Strate ligneuse lâche.

2. CULTURES(5.26%)

Sables fixés Sols brun-rouge subarides sursables éoliens et solsferrugineux tropicaux peulessivés.Couvert végétal nul.

Défavorable 65 76 84 88

3. PÂTURESDéfavo.(69.28%)

Zones de glacis,gravillons, arènes,pellicule indurée

Sols ferrugineux tropicaux etbruns subarides vertiques.Brousse tachetée, mosaïquevégétation-plages de sols nus.

Défavorable(R% <50)

68 79 86 89

Moy. favo.(12.18%)

Végétation Sols vertiques et hydromorphes.Formation ripicole avec strateherbacée importante.

Moyenne(R% >50)

49 69 79 84

Il faut signaler que le potentiel de ruissellement peut aussi être déterminé de manièreanalytique ou semi-empirique à partir de la connaissance des débits et des pluies qui en sont lacause. En effet, si l'on dispose de données d'observations de pluies et d'écoulement suffisantes, onpeut calculer la valeur de CN2 à partir de la relation entre les hauteurs d'eau ruisselées et la pluie(voir équation 1). La moyenne des valeurs obtenues pour chaque couple (pluie, ruissellement)représente le CN moyen du bassin versant et peut alors être reliée aux caractéristiques du bassinversant selon le 1. Il est aussi possible de déduire graphiquement cette valeur moyenne enreportant les valeurs des couples (pluie, ruissellement) sur un diagramme SCS. Dans l'exempleci-dessous (figure 3), la valeur du CN est approximative-ment de 90 pour le bassin de Jalafanka.

Dans le tableau 2 sont reprises les valeurs du CN moyen obtenues de manière synthétique àpartir d’une cartographie des catégories d’occupation du sol et de manière empirique parl’analyse des courbes pluie-ruissellement pour chaque bassin versant étudié.

TABLEAU 2Valeurs du CN moyen pour les bassins versants de la mare d'Oursi

Bassin Mared'Oursi

Outardes Polaka Tchalol Taïma Jalafanka Kolel

Superficie (km2) 263 16.5 9,14 9,28 105 0,809 1,05

Pente (m/km) 1,50 6,00 8,10 7,60 3,80 7,00 55,0

CN2 analytique 88 88 86 90 89 90 83

CN2 synthétique,pente moy. 5%

88 86 86 89 86 87 94


FIGURE 3Couples pluie-ruissellement dans un diagramme SCS (bassin de Djalafanka)

On remarque que les écarts entre les CN moyens sont relativement faibles dans l'ensemble, àl’exception du bassin versant de Kolel.

Le modèle SWRRB nécessite d'introduire en entrée la valeur moyenne du potentiel deruissellement (déterminé soit analytiquement, soit synthétiquement). Ensuite, compte tenu de lavariabilité permanente de l'humidité du sol dans le temps, le modèle recalcule à partir de cettevaleur moyenne une valeur de CN au début de chaque averse.

APPLICATIONS

L'application d'un modèle déterministe à un bassin versant nécessite l'ajustement des paramètreset des constantes afin que le modèle reproduise le mieux possible les observations. Cetteopération est appelée calage du modèle et vise en définitive à minimiser la somme des carrés desécarts entre valeurs observées (Qobs) et les valeurs simulées (Qsim).

L'ajustement des paramètres se fait normalement par essai et par erreur, c'est-à-dire, analysedes résultats précédents et modification des paramètres (en cherchant par ailleurs à en réduire lenombre autant que possible) pour améliorer les résultats. On procède ainsi de façon itérativejusqu'à l'obtention de résultats de simulation comparables aux données observées.

Le ruissellement de surface étant une fonction directe de la teneur en eau du sol (équation 1),tous les paramètres et constantes affectant donc l'eau du sol ont des effets directs ou indirects surles valeurs d'écoulement de surface. Toutefois, comme le ruissellement est évalué à partir del'approche SCS des "CN", l'ajustement se fait essentiellement sur les variations des valeurs dupotentiel de ruissellement. Plusieurs essais nous ont permis de constater qu'une différence de deuxou trois unités autour de la valeur moyenne du CN dans chaque bassin versant n'entraîne pas dedifférence significative dans les résultats de la simulation. Dès lors, nous considérons que lesvaleurs moyennes du CN synthétique sont directement utilisables pour les simulations sur chaquebassin considéré.


FIGURE 4Comparaison entre les ruissellements simulé et observé sur le bassin versant des Outardes pourl’année 1977

A chaque scénario, la qualité des résultats de simulation est appréciée en vérifiant quechacune des caractéristiques des écoulements observés est bien reproduite. Le modèle a été adaptépour fournir en résultats une série de tableaux présentant les débits journaliers observés et lesdébits journaliers simulés, à partir desquels s'effectue l'analyse comparant les différents essais.

L'application du modèle fournit en règle générale des résultats d'écoulements proches desvaleurs observées sur la plupart des bassins. A titre d'exemple, nous présentons (figure 4) lesrésultats de la simulation sur le bassin versant des Outardes pour l’année 1977. On constate que,d'une manière générale, l'adéquation entre les débits observés et simulés est acceptable. La formede la courbe est, dans la plupart des cas, à peu près respectée. On remarque aussi une bonnequalité prédictive du modèle pour les volumes d'écoulement, puisque de 70 à 80% de la variationsont expliqués par le modèle. Les différences proviennent, soit d'une sous-estimation del'évapotranspiration réelle (la demande évaporatoire est particulièrement considérable dans cetenvironnement aride), soit de la non-prise en compte de la vitesse d'infiltration de l'eau dans lessols. Le modèle ne considère que le potentiel de rétention. Or, dans la zone sahélienne, les corpsd'averse, quelle que soit leur durée, sont caractérisés par une forte densité au début de l'épisodepluvieux. Dès lors, l'intensité de la pluie dépasse très rapidement la vitesse d'infiltration etentraîne le ruissellement même si la pluie est de courte durée.

En dépit du nombre relativement faible d'événements pluviométriques conduisant à duruissellement (nmax = 56), une analyse statistique, par régression au sens des moindres carrés,montre que la relation entre les ruissellements observés et simulés peut être de type linéaire(figure 5). Le coefficient de détermination associé est tout à fait acceptable. Le test designification des différents paramètres confirme qu'au seuil de 5%, la pente de la droite n'est passignificativement différente de l'unité, compte tenu de la dispersion des points (l'ensemble despoints se retrouve statistiquement dans les limites de l’intervalle de confiance à 95%).


FIGURE 5Relation entre ruissellement simulé et observé (bassin versant des Outardes, 76-80)

CONCLUSION

Nous avons utilisé dans cette étude un modèle déterministe et global basé sur un paramètre derétention dépendant des caractéristiques physiographiques du bassin. L'importance du potentiel deruissellement (donc les états de surface) dans cette région aride est confirmée. La déterminationsynthétique du paramètre numérique de ruissellement CN à partir de la télédétection et desystèmes d'information géographique est significative et conduit à une modélisation satisfaisantedes écoulements.

L'étude a également permis l'élaboration de programmes informatiques permettant detransformer certaines étapes de la méthodologie en une base dynamique de connaissances pouvantêtre orientée vers la construction de systèmes de type expert qui fournirait le lien entre lestechniques de spatialisation de l'information (télédétection et SIG) et la formulation mathématiquedes processus (modélisation).

Au niveau des perspectives d'utilisation pratique des résultats, le modèle permet en principe :

• l'évaluation de la ressource en eau,• la prédiction des effets des décisions d'aménagement sur les écoulements,• la simulation de situations particulières (par exemple, simulation du comportement d'une

averse de récurrence décennale).


BIBLIOGRAPHIE

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Application du modèle GRASS/ANSWERS àla modélisation hydrologique d’un petit

bassin versant d’Afrique de l’Ouest

RESUMÉ

Le modèle hydrologique ANSWERS, couplé au système d’information géographiqueGRASS, a été utilisé pour simuler les écoulements dans un petit bassin versant d’Afriquede l’Ouest (16,2 km²). Les données disponibles ont permis de reconstituer 24 événementspluie/débit enregistrés entre 1983 et 1990. Les informations concernant les sols et lavégétation ont été extraites d’une scène LANDSAT-TM et les données topographiquesd’une couverture de photographies aériennes. La faible densité des courbes de niveau aengendré un modèle numérique de terrain peu précis, même si les limites du bassinversant sont correctement respectées. Parmi les nombreux paramètres indispensables aumodèle hydrologique, certains ont pu être estimés à partir de données expérimentales maisquatre d’entre eux ont dû faire l’objet d’un calage en utilisant l’hydrogramme théoriqueassocié à la pluie d’occurrence décennale.

Les simulations des 24 couples pluie/débit donnent des résultats corrects concernant lesvolumes écoulés, hormis les événements les plus importants qui sont nettement surévalués.En revanche, les cinétiques de crue montrent une forte distorsion par rapport aux donnéesobservées.

ABSTRACT

The ANSWERS simulation model, linked with the Geographic Information SystemGRASS, was used to model the hydrological behavior of a small watershed in WesternAfrica (16.2 km²). Soil and vegetation cover maps were extracted from a LANDSAT-TMdigital picture, contour lines were plotted from aerial photographs and 24 rainfall/discharge occurrences, monitored between 1983 and 1990, were available. The weakdensity of contour lines led to an imprecise digital elevation model, although watershedboundaries were satisfactorily plotted. Among the parameters needed to run the simulationmodel four of them had to be calibrated, using the hydrograph corresponding to thedecennial rainfall.

Results from the 24 hydrological events were satisfactory in terms of volume but thecharacteristics of the hydrographs were far from reality.

Pascal Perez, CIRAD-CA,URGE, Montpellier, FranceDamien Urvoix, USTL, Faculté des sciences, Montpellier, France

Michel Arnaud, CIRAD-CA, URFCM, Montpellier, France

Session 3 : Une application du modèle GRASS/ANSWERS406

INTRODUCTION

L’étude des problèmes environnementaux entraîne une globalisation croissante des techniquesd’observation et des méthodes d’analyse. Cette tendance s’accompagne d’une interdisciplinaritéde plus en plus marquée de l’approche scientifique. Afin d’établir un diagnostic pertinent et deconcevoir des stratégies adaptatives opérantes, agronomes, écologistes, hydrologues etéconomistes doivent disposer d’outils d’analyse communs, en particulier en terme de modélisation(Ambroise 1994).

Au sein des processus environnementaux majeurs, le cycle de l’eau tient une placeprépondérante, tant du point de vue quantitatif que qualitatif. C’est le cas en Afrique de l’Ouestdont l’agriculture pluviale doit faire face à des aléas climatiques importants. L’élaboration descénarios alternatifs aptes à nous renseigner sur le niveau de durabilité de tel ou tel système deproduction nécessite de pouvoir intégrer la variabilité spatiale et temporelle des phénomènesd’érosion, de ruissellement ou de lixiviation. Dans cette optique, certains modèles biophysiquesfont figure de standards de par leur aptitude à gérer de nombreux paramètres et variables d’entréeet leur capacité à fournir des données utilisables par d’autres types de modèles, à l’aval(Srinivasan et Arnold 1993).

Cependant, la plupart de ces modèles ont été conçus et validés dans des conditions fortéloignées de celles qui prévalent en Afrique de l’Ouest. Pour cette raison, nous avons entrepris detester le modèle GRASS/ANSWERS sur un petit bassin versant situé dans la région agricole duSine Saloum au Sénégal. Fortement cultivé, le bassin versant a été étudié de 1983 à 1990 d’unpoint de vue hydrologique et agronomique (Albergel et al. 1995).

MATERIEL ET MÉTHODES

Le modèle GRASS/ANSWERS

Le modèle hydrologique ANSWERS (Areal Nonpoint Source Watershed EnvironmentalResponse Simulation) a été développé par D.B. Beasley, L.F. Huggins et E.J. Monke (1980).C’est un modèle distribué et événementiel conçu pour simuler les processus d’écoulement,d’érosion et de transport des sédiments dans un bassin versant agricole. Le modèle définitsuccessivement l’interception de la pluie par la végétation, l’infiltration et la détentionsuperficielle, le ruissellement en nappe et, enfin, l’écoulement concentré dans le réseauhydrographique. En parallèle, le détachement des sédiments par la pluie puis leur transport, leurdépôt ou leur reprise sont simulés. Le fonctionnement hydrogéologique est caractérisé par une loide récession uniforme pour l’ensemble du bassin versant. La présence de retenues d’eau oud’aménagements hydro-agricoles peut être prise en compte.

Les informations d’entrée concernent les caractéristiques pluviographiques, les différentstypes de sols et d’occupation du sol, le descriptif du réseau hydrographique et le comportementhydrogéologique. Certains modules de calcul n’ayant pas été utilisés lors de nos tests, comptetenu des caractéristiques du bassin versant, les descriptions des paramètres d’entrée et desprincipales équations de résolution seront limitées à notre cas d’étude.

Le couplage du système d’information géographique GRASS (Geographical ResourcesAnalysis Support System) avec le modèle hydrologique ANSWERS a permis d’améliorer lagestion des paramètres d’entrée et de faciliter la manipulations des différents plans d’information.


FIGURE 1Classification “végétation”. Image classée du bassin de Ndiba. Echelle 1/50 000.


Le modèle hydrologique fonctionnant sur une grille de maille carrée, le système d’informationgéographique permet de transformer les données cartographiques de base en un jeu de paramètresdistribués. Des tables attributaires simples permettent à l’utilisateur de fournir les valeurs de cesparamètres d’entrée.

Les données disponibles

Le bassin versant de Ndiba (16,5 km²) est situé dans la région agricole du Siné Saloum auSénégal. Le modelé général de la région est un ensemble de vastes plateaux tabulaires de 30 à 60mètres d’altitude, entaillés par un réseau de larges vallées de faible pente. De 1970 à 1990, laproportion de terres cultivées par rapport à la surface totale est passée de 40% à 75% (Perez etal. 1996).

Le logiciel GRASS a été alimenté à partir d’une image classée LANDSAT-TM du 28/11/90et d’une carte topographique issue d’orthophotoplans au 1/25 000 (OMVG, 1983). Laclassification d’image a été réalisée sur un mode dirigé en utilisant des transects d’entraînement etla méthode du maximum de vraisemblance sous hypothèse gaussienne. Les résultats ont permisde déterminer trois classes de sol (sables, limons, sablo-limoneux) et cinq classes d’occupation dusol, en fonction de la densité de végétation (Puech, 1994). La carte d’occupation des sols a étéramenée à trois classes correspondant aux zones de culture, brousse et forêt claire (figure 1). Lesmatrices de confusion associées fournissent une précision globale de 59 % et 74 % pour les plans

FIGURE 2Exemple de crue dans le bassin versant de Ndiba


sol et occupation du sol, respectivement. L’homogénéité apparente de la couverture pédologiqueexplique, en partie, la faible précision enregistrée. Cependant, de faibles différences texturalesentraînent des comportements très contrastés en terme d’encroûtement de surface et de régimed’infiltration (Casenave et Valentin 1989).

Sur la carte topographique numérisée les courbes isohypses sont distantes de cinq mètresd’altitude. Cette précision est, a priori, trop faible compte tenu du pas de discrétisation choisi (30x 30 mètres) et du dénivelé moyen du terrain, compris entre les côtes + 5 et + 45 mètres. De cefait, un certain nombre de points supplémentaires ont été ajoutés afin de faciliter les interpolationsdu modèle numérique de terrain.

Les données hydrologiques, issues des enregistrements effectués entre 1983 et 1988, secomposent de 24 couples pluie/écoulement correspondant à des événements pluvieux supérieurs à35 mm. La pluie est considérée comme uniforme sur l’ensemble du bassin versant, lepluviographe utilisé est situé au centre de la zone d’étude. Les pas de temps de dépouillement sontde cinq minutes pour les pluies et les écoulements, les échelles de temps ont été synchronisées.Les hyétogrammes et hydrogrammes sont tous monomodaux. Les crues sont caractérisées par destemps de montée brefs et une traîne réduite (figure 2). Cela correspond à un fonctionnementhydrologique relativement simple, sans intervention de la nappe phréatique et en l’absenced’inféroflux. L’ensemble de l’écoulement correspond au ruissellement de surface, selon unschéma hortonien classique. En l’absence d’écoulement de base, le module hydrogéologique deANSWERS n’a pas été utilisé. De même, l’absence de données expérimentales fiables nous acontraints à négliger les informations relatives à l’érosion.

Les paramètres liés au sol

La réserve hydrique du sol est caractérisée par la porosité totale (TP) et la capacité au champ(FP). L’infiltration (F) exprimée en fonction de la teneur en eau (V) est régie par l’équation deHoltan (1961) :

F = Fc + (Fmax - Fc) * ((TP - V) / TP)p (1)

avec : Fc vitesse d’infiltration en régime permanent (mm/h)Fmax vitesse d’infiltration maximale (mm/h)TP porosité totale de la zone de contrôle (cm3/cm3)V teneur en eau dans la zone de contrôle (cm3/cm3)P coefficient de forme

Le régime d’infiltration est gouverné par une zone de contrôle, de profondeur donnée (DF).Cette couche représente une barrière hydraulique d’autant plus sévère que son épaisseur estfaible. Le ruissellement apparaît dès que l’intensité pluviométrique est supérieure à la vitessed’infiltration. Lorsque la teneur en eau de la zone de contrôle est supérieure à la capacité auchamp, la percolation est décrite par la relation suivante:

Dr = Fc * (1 - (TP - V) / (TP - FP))3 (2)

avec : Dr vitesse de drainage sous la zone de contrôle (mm/h)FP capacité au champ (cm3/cm3)


Les valeurs des paramètres Fc, Fmax, TP et FP ont été déterminées à partir des nombreusesexpérimentations sous pluies simulées qui ont été réalisées dans la région d’étude (Perez 1994).Les paramètres DF et P ne peuvent être estimés a priori, compte tenu du caractère empirique del’équation de Holtan. Nous avons choisi de tester la sensibilité du modèle hydrologique vis-à-visde ces deux paramètres, puis de caler leurs valeurs par rapport aux données expérimentales.

Compte tenu du caractère événementiel du modèle hydrologique, il est nécessaire de fournirune condition initiale pour la teneur en eau du sol. Cette teneur initiale est représentée par leparamètre ASM dont la valeur dépend des conditions pluviométriques antérieures. Il a étéassimilé à l’indice des pluies antérieures (IK) largement utilisé en zone sahélienne (Chevalier,1983) :

IKn = (IKn-1 + Lpn-1) x e-0,5 ∆t

et : ASM = IK / Ikmax (2)

avec : Lpn-1 hauteur de pluie de rang (n-1) (mm) ∆t durée entre les pluie de rang (n-1) et (n) (jours)

Ikmax valeur observée maximale du paramètre IK ; Ikmax = 60.

Les paramètres liés à l’occupation du sol

L’interception de la pluie (INT) par la végétation dépend du potentiel d’interception (PIT) et dutaux de couverture au début de l’événement pluvieux (PER) :

INT = PIT x PER (3)

avec : INT interception de la pluie (mm)PIT potentiel d’interception (mm/m²)PER taux de couverture (m²/m²)

La pluie qui arrive au sol peut être stockée en surface en fonction du type de micro-reliefrencontré. Ce volume de détention (DEP) est calculé selon l’équation de Huggins et Monke(1966) :

DEP = HU * RC * (H / HU)1/RC (4)

avec : H hauteur d’eau (mm)HU hauteur maximale du micro-relief (mm)RC paramètre de forme

Enfin, la vitesse du ruissellement en nappe est calculée à partir de l’équation de Manning.Elle nécessite la connaissance de la valeur du paramètre de rugosité (N1) pour chaque typed’occupation du sol.

Les valeurs de PIT et HU ont été déterminées à partir de données expérimentales (Perez,1994) et bibliographiques (Morin et al. 1984; Lamachère 1991). La valeur de PER évoluerapidement durant la saison des pluies, en particulier dans le cas des parcelles de culture.


FIGURE 3Evolution des taux de couverture simulés (1987)

Nous avons simulé la croissance annuelle du couvert cultivé (mil), de la brousse arbustive etde la forêt claire à partir de l’équation de Baret (1987) :

( )[ ] ( )[ ]PERa jas INF

b jas FIN=+ −

− −

100

1

1 expexp

où jas est le nombre de jours après le début du cycle végétatif (semis pour les cultures),INF est le jour correspondant à la fin de la phase de croissance (1er point d’inflexion),FIN est le jour correspondant à la fin du cycle végétatif (récolte pour les cultures),a et b sont des paramètres de courbure.

L’équation a été calée chaque année, de 1983 à 1988, pour une culture de mil (var. SounaIII). Par analogie, la même relation a été utilisée pour les couverts plus ou moins pérennesrencontrés dans la brousse et la forêt claire. Seuls les points d’inflexion ont été modifiés afind’obtenir une évolution plus rapide du taux de couverture dans ces deux derniers cas (figure 3).Cette modélisation très approximative ne tient pas compte d’un éventuel effet de stress hydriquesur la croissance végétative.

Les paramètres RC et N1 ne peuvent être estimés a priori, compte tenu de leur caractèreempirique. Comme précédemment, nous avons choisi de tester la sensibilité du modèlehydrologique puis de caler leurs valeurs par rapport aux données expérimentales.

Les paramètres liés au réseau hydrographique

Chaque élément du réseau est défini par sa largeur moyenne (WID) et son coefficient de Manning(N2). Les valeurs de ces paramètres ont été estimées à partir des relevés de terrain et des valeursfournies par la littérature.


Parmi les paramètres nécessaires concernant le sol, le mode d’occupation du sol et le réseauhydrographique, dix peuvent être fixés à partir de données expérimentales disponibles ou desimulations déjà validées dans la zone d’étude. En revanche, quatre paramètres se révèlentdifficiles à déterminer et nécessitent un calage préalable (DF, N1 , P, RC). Le tableau 1 présentel’ensemble des valeurs des paramètres utilisés pour le bassin versant de Ndiba.

TABLEAU 1Valeurs des paramètres utilisés dans ANSWERS pour modéliser les écoulements du bassinversant de Ndiba

Types de sol Sables Sables/limons Limons

Surface en % de la superficie du bassin 57,2 37,8 5,0

TP : porosité totale de la zone de contrôle 40 43 47

FP : capacité au champ de la zone de contrôle 48 49 55

FC : vitesse d’infiltration en régime permanent 31 11 5

P* : paramètre de forme de l’équation (1) 0,4 0,5 0,6

DF* : épaisseur de la zone de contrôle 150 150 150

Types d’occupation du sol Culture Brousse Forêt

Surface en % de la superficie du bassin 66,8 30,8 2,4

PIT : potentiel d’interception par le couvert 1 2 3

RC* : paramètre de forme de l’équation (4) 0,8 0,8 0,8

HU : hauteur maximale du micro-relief 30 20 30

N1* : coefficient de rugosité 0,07 0,05 0,05

Paramètres liés au réseau hydrographique

WID : largeur moyenne du réseau en m 7

N2 : coefficient de rugosité moyen 0,05

* : valeurs calées à partir de la crue décennale. TP et FP sont exprimés en %.FC est exprimé en mm/h. DF, PIT et HU sont exprimés en mm. WID est exprimé en m.

RÉSULTATS

Le modèle numérique de terrain

Les cartes des pentes et des orientations calculées à partir des courbes de niveau contiennent21 051 mailles de 30 x 30 mètres. Malgré l’ajout de points cotés sur la carte topographiqueoriginale, l’interpolation n’est pas entièrement satisfaisante. Les très faibles dénivelés et le pas dediscrétisation entraînent la création de replats séparés par des zones plus pentues. Ce relief en« marches d’escalier » apparaît nettement lorsqu’on observe les courbes isohypses numérisées.

Les limites du bassin versant, calculées à partir de la carte des pentes, respectent la formegénérale du bassin observé. La bordure Sud, malgré un relief quasi nul est restituée de manièresatisfaisante. La seule erreur importante concerne la bordure Nord, près de l’exutoire,vraisemblablement due au nombre limité d’orientations des pentes (huit directions possibles) et aufaible nombre de courbes de niveau numérisées à l’extérieur du bassin versant. La superficie dubassin versant numérisé est de 18,5 km² contre 16,5 km² pour le bon versant observé, soit une


surestimation de 14%. Le réseau hydrographique numérisé respecte le thalweg principal maisl’orientation des segments d’ordre inférieur et leurs affluents correspondent assez peu à ceux duréseau observé (figure 4).

La sensibilité du modèle hydrologique aux paramètres de calage

Nous avons effectué une analyse de sensibilité du modèle hydrologique aux quatre paramètresdont les valeurs n’ont pu être déterminées a priori (DF, P, RC, N1). Cette analyse a été réaliséeen faisant varier indépendamment chacun des paramètres entre ses valeurs extrêmes, pour chaquecatégorie de sol (sable, limon, sablo-limoneux) et d’occupation du sol (culture, brousse, forêt). Lamême pluie a été utilisée dans tous les cas, d’une hauteur de 50 mm et d’intensité maximale en 10minutes de 109 mm/h. La sensibilité est caractérisée par l’écart maximal entre les lames écouléessimulées rapporté à la valeur moyenne. Au-delà de l’influence des superficies occupées par lesdifférentes classes du sol ou d’occupation du sol, les variations de valeurs des paramètres DF etN1 entraînent une sensibilité allant jusqu’à 39 % et 67 % sur les lames écoulées. Les paramètresP et RC ont une influence moindre (tableau 2). Ces résultats rendent nécessaires un calage de cesquatre paramètres par rapport aux données expérimentales.

TABLEAU 2Analyse de la sensibilité du modèle, exprimée en % de variation de la lame ruisselée

Types de sols Sables Sables/limons Limons

DF : profondeur de la zone de contrôle 39 35 6,5

p : paramètre de l’équation (1) 27 7 2

Types d’occupation du sol Culture Brousse Forêt

RC : paramètre de l’équation (4) 23 7 1,3

N1 : coefficient de rugosité 67 64 9,3

Le calage des paramètres par rapport à la crue décennale

Afin d’éviter de caler les paramètres DF, N1 , P et RC par rapport à un cas particulier, nousavons préféré utiliser le hyétogramme et l’hydrogramme d’occurrence décennale. Durant lecalage, les autres paramètres ont conservé leurs valeurs initiales, hormis PER et ASM pourlesquels nous avons choisi arbitrairement d’affecter les valeurs PER = 50 % et ASM = 50 %comme conditions moyennes pour la crue décennale.

Le calage manuel a consisté en un nombre important d’itérations afin d’obtenir des valeurs dela lame écoulée (Le) et du débit de pointe (Qm) aussi proches que possible des valeurs observées.Dans un second temps, nous avons cherché à améliorer les temps de montée (Tm) et de base(Tb). Le résultat final est satisfaisant du point de vue des lames écoulées, mais le débit de pointeest nettement sous-estimé. Le temps de montée est nettement surestimé, de même pour le temps debase (figure 5).


FIGURE 4Comparaisons entre les limites du bassin versant et les réseaux hydrographiques observés etsimulés à partir du MNT


FIGURE 5Hydrogrammes décennaux

La validation du modèle hydrologique

Nous avons utilisé les 24 couples pluie/écoulement disponibles pour valider le modèleANSWERS. Pour chaque événement pluvieux, seuls les paramètres PER et ASM sont modifiés.Rappelons que les hauteurs de pluie sont comprises entre 35 et 105 mm et les lames écouléesobservées entre 0 et 13 mm.

Quatorze simulations ont été arrêtées en cours de calcul car le modèle ne parvenait plus àmaintenir la continuité des écoulements. Dans ce cas, nous avons conservé la valeur de lameruisselée à l’instant de l’arrêt mais nous n’avons pas tenu compte des cinétiques d’écoulement.Les variables analysées sont la lame écoulée (Le), le débit de pointe (Qm), le temps de base (Tb),le temps de montée (Tm), le temps de réponse (Tr). Nous avons calculé les moyennes et écart-types des valeurs observées, simulées et des différences appariées (observé-simulé). Cette analyseporte donc sur 24 couples pour la variable (Le) et 10 couples pour les autres variables (tableau3).

On note que les temps de montée et de base sont systématiquement surestimés de 60 et 100minutes environ. Les débits de pointe sont sous-estimés mais l’écart demeure acceptable.Cependant, cette présentation globale masque des compensations très fortes au sein del’échantillon. Les lames écoulées sont apparemment surestimées d’une valeur proche de leurvaleur moyenne. En fait, la mise en relation des écoulements observés et simulés montre que lesfaibles valeurs sont restituées de manière satisfaisante alors que les forts écoulements sontnettement surestimés.


TABLEAU 3Valeurs moyennes et écarts-type des principaux paramètres hydrologiques

Paramètres Tm en mn Tb en mn Tr en mn Qm en m3/s Le en mm

moy. e.-t. moy. e.-t. moy. e.-t. moy. e.-t. moy. e.-t.

Observé 107 39 385 89 143 35 20 19 2,3 3,5

Simulé 169 51 480 58 198 48 18 13 4,2 6,5

Observé-simulé - 62 40 - 95 88 - 54 31 2,1 9,7 - 1,6 3,7

moy. : moyenne. e.-t. : écart-type.

DISCUSSION ET CONCLUSION

Le fonctionnement du modèle GRASS/ANSWERS nécessite, dans les conditions topographiquesqui prévalent en Afrique de l’Ouest, un modèle numérique de terrain d’une très grande précision.Cela implique des relevés de terrain longs et coûteux dont la mise en oeuvre est rarementréalisable dans la zone d’étude. En revanche, l’utilisation de la télédétection permet de rendrecompte des caractéristiques topographiques, pédologiques et agricoles des paysages de cesrégions (Puech 1994).

La précision des lames écoulées simulées est suffisante pour évaluer les composantes du cyclede l’eau à l’échelle du bassin versant de Ndiba mais, dans la plupart des cas, la distorsion deshydrogrammes simulés est trop forte pour permettre une estimation précise des pointes de crue.Compte tenu de la nécessité de caler les paramètres DF, P, RC et N1 , le modèle hydrologique nepeut être appliqué sur des bassins versants non jaugés sans prendre un risque important. Lavaleur du coefficient de rugosité (N1) influence fortement le résultat des calculs (Huggins etBurney 1982).

Au-delà, la prise en compte de l’influence du mode d’occupation du sol sur les écoulementsparaît également limitée. Si le caractère événementiel du modèle ANSWERS permet de limiterl’influence du couvert végétal à l’interception aérienne de la pluie, la représentation du micro-relief utilisée ne permet pas de traduire l’évolution rapide de la surface du sol, particulièrement enzone sahélienne (Hoogmoed et Stroosnijder 1984)

Une amélioration des résultats de simulation est envisageable s’il est possible d’établir uneliaison entre les paramètres DF, P et N1 et les critères de définition des états de surface établis,en zone sahélienne, par Casenave et Valentin (1989). En ce sens, l’utilisation de la relation deHoltan pour simuler l’infiltration de l’eau à la surface du sol est cohérente avec le comportementde sols sensibles à l’encroûtement. Cette approche nécessite la reprise des données issues desnombreux essais d’infiltration sous pluie artificielle réalisés en Afrique de l’Ouest, puis leurtraitement en fonction des paramètres recherchés.

Enfin, la description simplifiée du réseau hydrographique à partir de deux paramètres moyens(WID et N2) peut expliquer en partie la surestimation des temps de montée. En effet, les ravinesentaillent des versants aux sols ferrugineux sableux dont l’érosion entraîne une forte hétérogénéitédes conditions d’infiltration dans le lit des cours d’eau. D’autre part, le système de pistesd’exploitation crée un réseau artificiel de collecte des eaux de ruissellement qui diminue d’autantle temps de réponse du bassin versant.


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MHM : le modèle hydrologique maillé

RESUMÉ

Dans le contexte actuel de la politique de gestion durable de notre environnement, lacompréhension de l’évolution des phénomènes naturels ou anthropiques est d’importancecapitale pour une meilleure gestion des ressources. A cet égard, la modélisationhydrologique est un outil indispensable.

Dans le cadre du travail présenté ici, une méthodologie originale a été développée pourl’analyse qualitative et pour l’évaluation quantitative de l’impact de l’évolution descaractéristiques physiques d’un bassin sur le régime d’une rivière. Ce modèlehydrologique maillé, baptisé « MHM », répond à un double objectif. D’une part, safonction proprement hydrologique consiste à simuler les hydrogrammes de cruesexceptionnelles pour le dimensionnement d’ouvrages d’art . D’autre part, vu qu’il est basésur la répartition spatiale de ses paramètres selon la variabilité des caractéristiquesphysiques du bassin, il permet le suivi de la modification du régime des crues en fonctionde l’évolution spatio-temporelle de l’environnement suite à un phénomène naturel ou dueà l’activité humaine.

ABSTRACT

In the present context of a policy for a sustainable management of the environment,understanding the evolution of natural and human phenomena is highly important in orderto improve resource management. To this end a hydrological model is an essential tool.

An original methodology is presented in this paper. It was developed for the qualitativeanalysis and quantitative evaluation of the impact of the evolution of the physicalcharacteristics of a basin on the regime of a river. This meshed hydrological model, named« MHM », is directed at two objectives. On the one hand, its hydrological function consistsof simulating exceptional flooding for the evaluation of the structures needed. On the otherhand, in view of the fact that it is based on the distribution of the parameters in accordancewith the physical characteristics of the basin, MHM makes it possible to observe themodification of the flow rate with the spatial and temporal evolution of the environmentfollowing a natural phenomenon or human activities.

INTRODUCTION

Le MHM a été conçu et élaboré au départ par Batardy, au début des années quatre-vingt àl’Unité de génie rural de l’Université catholique de Louvain en Belgique (Batardy, 1984), puisdéveloppé par Randriamaherisoa ( 1993) pour aboutir à un logiciel commercialisé par la firmeDa Vinci Consulting.

A. El Idrissi, Doctorant à l’Université catholique de LouvainE. Persoons, Professeur à l’Université catholique de Louvain, Faculté des sciences

agronomiques, Louvain la Neuve, Belgique

Session 3 : MHM : le modèle hydrologique maillé420

Le MHM se base sur la discrétisation du bassin versant en mailles régulières carrées. Il faitpartie des modèles déterministes qui tentent de définir les phénomènes hydrologiques par desformules mathématiques.

Le MHM est le résultat de l’utilisation combinée de deux technologies : la modélisationdéterministe distribuée et la cartographie numérique (cartes numérisées ou télédétectées). Il estfondé sur l’identification de la réponse hydrologique unitaire spécifique à un bassin.

LES HYPOTHÈSES

Continuité spatiale

Le modèle maillé considère la maille comme unité d’analyse des phénomènes hydrologiques dansle bassin. Il suppose donc l’applicabilité des fonctions hydrologiques à l’échelle d’une maille.L’uniformité des propriétés physiques d’un même type de maille est donc la première hypothèsedu modèle. L’irréalisme de cette hypothèse peut être pallié par le choix de la taille des mailles :plus la maille est petite, plus elle est uniforme. La seconde hypothèse est celle de continuitéspatiale.

Hypothèses conceptuelles

De par son caractère conceptuel, le modèle se base sur une série d’hypothèses simplificatricesliées à la formulation symbolique schématisant le système réel. D’une manière générale, leshypothèses de base sont la linéarité et la permanence de la fonction de production et des fonctionsde transfert. Le régime permanent suppose que les paramètres de ces fonctions sont constantsdurant une averse.

Système linéaire et permanent de la fonction de production

Comme la fonction de production est appréhendée par la notion de coefficient de ruissellement, lacondition de régime permanent n’est réaliste qu’à la saturation des différents types de réservoirs.

Système linéaire et permanent de la fonction de transfert

Quant aux paramètres de transfert, la simple translation à l’exutoire par le principe del’isochronisme des volumes ruisselés est effectivement une fonction linéaire et permanente. Onsuppose, par ce principe, que les vitesses de transfert sont constantes et que le volume à transférerne subit pas de déformation (laminage). Or, physiquement, les vitesses sont fonction de la hauteurd’eau et des caractéristiques du lieu. Les courbes isochrones devront donc être adaptées àl’importance de la crue.

FONDEMENTS DU MHM

La recherche de la réponse unitaire d’un système hydrologique linéaire peut être appréhendée parla théorie de la réponse impulsionnelle.

Un système est, par définition, un ensemble de règles transformant un signal d’entrée en unsignal de sortie. Un système linéaire est caractérisé par les principes de proportionnalité etd’additivité. En considérant le bassin versant comme un système hydrologique, l’équation de


continuité relie le stockage dans le bassin (S), le signal entrant qui est la pluie (I) et le signalsortant qui est le débit :

dS

dtI Q= − (1)

Fonction de réponse impulsionnelle

La réponse d’un système linéaire est nécessairement caractérisée par sa fonction de réponseimpulsionnelle. Si à l’instant τ, le système reçoit instantanément une unité de signal entrant dedurée infiniment courte (impulsion unitaire), sa réponse à l’instant τ est décrite par une fonctionde réponse à une impulsion unitaire u(t-τ) (figure 1). Conformément aux principes deproportionnalité et d’additivité, pour un système d’entrée quelconque I(t), la réponse du systèmeest donnée par l’intégrale de convolution :

( ) ( )Q t It

( ) = ∫ τ τ τ0

u t - d (2)

Pour l’application en hydrologie, les solutions sont attendues à des intervalles discrets car lesignal d’entrée lui-même est une fonction discrétisée dans le temps comme c’est le cas de la pluie.La manipulation d’un tel signal nécessite deux autres fonctions : la fonction de réponse indicielleet la fonction de réponse à un signal discrétisé.

Fonction de réponse à un échelon unitaire ou de réponse indicielle

Un signal d’entrée en échelon unitaire passe de 0 à 1 à partir du temps 0 et continue indéfinimentà ce niveau. La sortie du système, c’est-à-dire sa fonction de réponse à un échelon unitaire g(t),est obtenue à partir de l’équation (2) en considérant I(τ) = 1 pour τ ≥ 0 :

( ) ( ) ( ) ( )Q t g t u tt

= = −∫ ∫τ τ0

d = u l dl0

t en prenant l = t - τ et dl = - dτ (3)

Fonction de réponse à un signal discrétisé

Un signal d’entrée discret unitaire est l’entrée de valeur unitaire en ∆t de niveau :

( )It

τ = 1

∆ pour 0 ≤ τ ≤ ∆t (4)

Ainsi la fonction réponse à un signal discret unitaire est :

( ) ( ) ( )[ ] ( ) ( ) ( )h tt

g t g t tt

u l u lt

u lt t

= − − =

=∫∫ ∫1 1 10∆

∆∆ ∆

∆

∆ dl - dl dl

0

t- t

t - t(5)

Cette équation constitue la base de l’utilisation en hydrologie d’un système linéaire en tempsdiscret.

Application en hydrologie

Le signal d’entrée qui est la pluie, au pas de temps m∆t, est déterminé en représentation discrètepar :

( ) ( )( )P P m t I tm m t

m t= =

−∫∆∆

∆ dt

1 pour m = 1, 2, 3, ... (6)


FIGURE 1Fonction de réponse d’un système hydrologique linéaire (Chow et al. 1988)

FIGURE 2Réponse unitaire d’un système hydrologique linéaire avec des variables discrètes


Par contre le signal de sortie, qui est le débit, est déterminé par échantillonnage en pas de tempsdiscret pour le même pas de temps :

Qn = Q(n∆t) pour n = 1, 2, 3, ... (7)

Si M est une série de signaux discrets de niveau constant, en procédant par un changement devariable et en remplaçant la fonction h[ (n - m + 1) ∆t ] par une fonction d’échantillonnage discretUn-m+1, l’équation finale est :

Q P Un m n mm

n M

= − +=

≤

∑ 11

(8)

La reconstitution de l’hydrogramme à l’exutoire du bassin se fait par la somme des produitsdes ordonnées de la réponse unitaire avec la hauteur de la pluie et le décalage temporel adéquat.

STRUCTURE DU MHM

Fonction de production

La fonction de production régit la transformation de la pluie brute en pluie nette destinée auruissellement, elle constitue donc l’élément moteur des modèles hydrologiques car elle estresponsable du volume de ruissellement. Il existe différentes formulations plus ou moinsélaborées de la fonction de production. La plus connue et la plus simple est celle qui définit lecoefficient de ruissellement comme le rapport de la lame ruisselée à la pluie brute :

( ) ( ) ( )P t i C i P tE R B, *= (9)

où : ( )P t iE , est la lame ruisselée au moment t d’une maille de classe hydrologique i,

( )C iR est le coefficient de ruissellement de la classe hydrologique i,

( )P tB est la pluie brute tombée dans la même maille au moment t.

Fonction de transfert

La fonction de transfert régit le transport à l’exutoire du volume ruisselé déterminé par lafonction de production. Le modèle MHM utilise une fonction de transfert résultant de lacombinaison de la méthode des lignes isochrones qui détermine le délai de transfert du volumeruisselé à partir de n’importe quelle partie du bassin jusqu'à l’exutoire, et de la méthode detransfert d’ondes de crue qui régit le laminage du volume ruisselé.

Principe de l’isochronisme

La méthode des isochrones consiste à découper la surface du bassin en une série de nIso zones A1,A2, ...Ak, ..., AnIso limitées par des lignes d’égal temps de ruissellement jusqu'à l’exutoire. Lespluies ruisselées, issues des zones ioschrones respectives, arrivent donc à l’exutoiresuccessivement après ∆t, 2∆t, ... k∆t, ..nIso∆t ; ∆t étant l’intervalle de temps entre deux lignesisochrones.


Pour une pluie ruisselée de durée ∆t et d’intensité IE, le ruissellement QE(k,t) correspondant àchaque zone isochrone k au moment t est :

( ) ( )Q k t A I tE k E, = (10)

Pour une lame ruisselée de durée quelconque m∆t, le débit de ruissellement à l’exutoire à l’instantt est constitué de la somme des ruissellements :

• de la 1ère zone isochrone A1 à l’instant t, c’est-à-dire A1 IE (t),

• de la 2ème zone isochrone A2 à l’instant précédent t-∆t, c’est-à-dire A2 IE (t),

• de la kème zone isochrone Ak à l’instant t-(k-1) ∆t, c’est-à-dire Ak IE (t-k+1),

• et ainsi de suite jusqu'à la nIso ème zone isochrone nIso tant que chaque temps récursif

t-(k-1) ∆t est supérieur à 0, pour k variant de 1 à nIso.

( ) ( )Q t A I t kE k Ek

nIso

= − +=

∑ 11

pour (t - k + 1) > 0 (11)

Le principe de l’isochronisme ne concerne que la fonction de transfert.

Transfert d’ondes de crue amont

La relation débits amont-débit à l’exutoire est traitée par transfert d’ondes de crue. Il s’agit de larésolution de l’équation de continuité du système hydrologique dont l’entrée Qin(t) et la sortieQout(t) sont de même nature, c’est-à-dire un débit. L’évolution du stock d’eau dans le système estexprimé par :

( ) ( )dS

dtQ t Q tin out= − (12)

Bien que l’hydrogramme d’entrée soit connu, l’équation ne peut pas être résolue directementcar l’évolution du stock et l’hydrogramme de sortie sont tous les deux inconnus. Une autreéquation appelée fonction de stockage est donc nécessaire. D’une manière générale, elle estfonction de l’entrée et de la sortie :

S QdQ

dt

d Q

dtQ

dQ

dt

d Q

dtinin in

outout out=

, , , ... , , , , ...

2 2

(13)

Laminage des crues par un réservoir

En système discret, les données sont représentées par des mesures échantillonnées à des pas detemps discrets. Le débit d’entrée au début et à la fin du jème intervalle de temps de durée ∆t sontrespectivement Qin(j∆t) et Qin((j+1) ∆t). Les valeurs correspondantes pour l’hydrogramme desortie sont Qout(j∆t) et Qout((j+1) ∆t).

Si la variation de l’hydrogramme d’entrée et de sortie durant l’intervalle de temps ∆t estapproximativement linéaire, la variation de stock est exprimée par :

( ) ( )( ) ( ) ( )( )S S

Q j t Q j tt

Q j t Q j ttj j

in in out out

+ − =+ +

−+ +

1

1

2

1

2

∆ ∆∆

∆ ∆∆ (14)

Dans cette équation, sont connus Qin(j∆t), Qin((j+1)∆t), Sj et Qout(j∆t) et sont inconnus Sj+1 etQout((j+1)∆t) que l’on isole par :


( )( ) ( ) ( ) ( )( )( )21

21

1S

tQ j t

S

tQ j t Q j t Q j t

j

out

j

out in in

+ + +

= −

+ + +

∆∆

∆∆ ∆ ∆ (15)

Dans le cas d’un réservoir, en combinant l’équation précédente avec la fonction niveau destockage-débit sortant, le calcul des deux inconnues est fait de la manière suivante :

• la relation topographique hauteur-surface-volume donne la valeur du stock à partir del’élévation du niveau d’eau;

• la relation hydraulique débit de sortie-hauteur d’eau donne le débit sortant suite à l’élévationdu niveau d’eau ; elle est établie soit par une opération de tarage, soit en utilisant des profilstypes de régime hydraulique connu.

Méthode de Muskingum

Le transfert des débits amont mesurés et /ou simulés à l’exutoire des sous-bassins, ou à la sortiedes différentes formes de réservoir, est traité par la méthode de Muskingum de transfert de débitdans une rivière. Entre les deux sections de contrôle amont et aval, en supposant que l’aire dessections en travers est directement proportionnelle au débit transitant, le stockage dans la rivièreest divisé en deux parties κQout et κχ(Qin-Qout) où κ est un coefficient de proportionnalité et χ estun facteur de pondération compris entre 0 et 0,5 (Chow et al. 1988).

La fonction de stockage de la méthode de Muskingum, qui représente un système linéaire detransfert d’écoulement en rivière, est donnée par l’équation de continuité suivante :

( ) ( )[ ]S Q Q Q Q Qout in out in out= + − = + −κ κχ κ χ χ1 (16)

Dans le cas d’une rivière naturelle, 0 > χ > 0,3, il est en moyenne égale à 0,2. Par contre, leparamètre κ est déterminé par le temps de transfert de l’onde à travers la rivière (Lindsey et al.1992).

Indicée par j au début et par j+1 à la fin de l’intervalle de temps, la variation de stock peutêtre également écrite de la façon suivante :

( )( ) ( ) ( )( )[ ] ( ) ( ) ( )[ ]{ }S S Q j t Q j t Q j t Q j tj j in out in out+ − = + + − + − + −1 1 1 1 1κ χ χ χ χ∆ ∆ ∆ ∆ (17)

La résolution simplifiée de la combinaison des équations (14) et (17) détermine l’équation detransfert de la méthode de Muskingum écrite de la façon suivante (Cunge 1969) :

( )( ) ( )( ) ( ) ( )Q j t C Q j t C Q j t C Q j tout in in out+ = + + +1 11 2 3∆ ∆ ∆ ∆ (18)

où C1, C2 et C3 sont fonction de κ, χ et ∆t de telle sorte que : C1 + C2 + C3 = 1.

Les valeurs de κ et de χ peuvent être déterminées à partir des hydrogrammes d’entrée et desortie mesurés. En effet, à partir des équations de variation de stock, on peut établir la relationsuivante :

( )( ) ( )[ ] ( )( ) ( )[ ]( )( ) ( )[ ] ( ) ( )( ) ( )[ ]κ

χ=

+ + − + +

+ − + − + −

0 5 1 1

1 1 1

, ∆ ∆ ∆ ∆ ∆

∆ ∆ ∆ ∆

t Q j t Q j t Q j t Q j t

Q j t Q j t Q j t Q j t

in in out out

in in out out

(19)

En prenant différentes valeurs de χ et en plaçant sur un dessin le numérateur en ordonnée et ledénominateur en abscisse, on obtient en principe des courbes en boucles. La valeur de χcorrespondant à la boucle fermée est retenue. La valeur de κ est alors la pente de la droite passantpar le milieu de cette boucle (Gill 1978).


Séparation des écoulements

Le débit de la rivière est composé principalement de trois types d’écoulement :

• L’écoulement direct de surface qui représente le ruissellement. C’est un écoulement rapide.

• L’écoulement retardé souterrain, appelé débit de base. Alimenté par les nappes d’eauxsouterraines, c’est un écoulement lent à cause du transit de l’eau dans le sol et le sous-sol.

• L’écoulement dit hypodermique qui sous-entend un écoulement au niveau de la couchesuperficielle du sol.

FIGURE 3Les différentes méthodes de séparation des écoulements

La quantification respective de ces écoulements, connue sous le nom de séparation desécoulements, est une opération délicate. Théoriquement, le début et la fin du ruissellementseraient marqués par deux points d’inflexion. La localisation de ces points permettrait laséparation des écoulements selon l’une ou l’autre des diverses hypothèses et différentes méthodes.La plupart de ces méthodes sont plutôt subjectives.

Au lieu de retrancher systématiquement le débit de base mesuré suivant l’une ou l’autre desméthodes de la figure 3, il est laissé aux utilisateurs le soin de calculer le débit de base selon laspécificité hydrogéologique du bassin versant étudié.

LE MHM ET LA CARTOGRAPHIE NUMÉRIQUE

Les différentes fonctions géomatiques sont regroupées dans la figure 4.


FIGURE 4Organigramme des opérations géomatiques du modèle MHM (Randriamaherisoa 1990)


PROCEDURES DE SIMULATION

Comme l’objectif du MHM est de déterminer les réponses unitaires à partir du traitement par SIGdes caractéristiques physiques du bassin et de la carte numérique des isochrones, la procédure desimulation de l’hydrogramme de crue développé est généralisée de la façon suivante :

• La fonction de production détermine, à partir des pluies brutes PE(t) à l’instant t, les lamesruisselées PE(t,i) de toutes les mailles au même instant selon le coefficient de ruissellementpropre à leur classe hydrologique représentée par l’indice i.

• Après classification des mailles discrétisant le bassin versant en fonction de leurscaractéristiques physiques, on rassemble les mailles hydrologiquement similaires à l’intérieurde chaque isochrone k que l’on note nCH/Iso(k,i). Comme ces mailles ont les mêmesparamètres de production, le débit de ruissellement de l’isochrone k au moment t, QE(k,t) estdonné par l’équation :

( ) ( ) ( ) ( )Q k tt

P t C i Su n k iE B R CH Iso

i

nCH

, * * * ,/==∑1

1∆

(20)

où nCH est le nombre de classes hydrologiques et Su est la surface d’une maille.

FIGURE 5Synthèse des caractéristiques spatiales d’un bassin versant


• Le ruissellement en fonction du temps, QR(t), est déterminé à partir du déchargement àl’exutoire du contenu en pluie ruisselée de chaque isochrone avec le décalage temporeladéquat :

( ) ( )Q t Q k t kE E

k

nIso

= − +=

∑ , )11

pour (t - k + 1) > 0 (21)

( ) ( ) ( ) ( )Q tt

P t k C i Su n k iR B R CH Iso

i

n

k

n CHIso

= − +==∑∑1

111

∆* * * ,/ (22)

La communauté et l’associativité des additions permettent la permutation de l’ordre dessommations :

( ) ( ) ( ) ( )Q tt

P t k C i Su n k iR B R CH Iso

k

n

i

n IsoCH

= − +

==

∑∑11

11∆

* * * ,/ (23)

• Le débit calculé en fonction du temps est la somme du ruissellement et du débit de base.

• Dans le contexte du MHM, qui nécessite une méthode rationnelle pour minimiser le temps decalcul, on introduit la notion des surfaces réduites. Par définition, il s’agit des surfaceséquivalentes à celles des zones isochrones, mais en surfaces parfaitement imperméables. Lasurface réduite d’une maille de classe hydrologique i est égale à :

sr(i) = CR * Su (24)

La surface réduite de toutes les mailles de classe hydrologique i à l’intérieur de l’isochrone kest égale à :

Sr(k,i) = CR(i) * Su * nCH/Iso(k,i) (25)

La surface réduite de l’isochrone k est égale à :

( ) ( )SR k Sr k ii

nCH

==∑ ,

1

(26)

L’hydrogramme du ruissellement déterminé par l’équation 23 est calculé de la façonsuivante :

( ) ( ) ( )Q tt

P t k SR kR B

k

nIso

= − +=

∑11

1∆

* pour (t - k + 1) > 0 (27)

L’histogramme des surfaces réduites en fonction du temps représente réellement la réponseunitaire du bassin. Si l’intensité de la pluie est égale à l’unité, l’hydrogramme de ruissellement estreprésenté par l’histogramme des surfaces réduites à la conversion d’unité près. C’est pourquoi,considérer les surfaces réduites, en fonction du temps de transfert isochronique, comme lasignature hydrologique du bassin n’est pas un abus de langage car elles définissent réellementl’identité hydrologique du bassin.

Si l’on dispose d’une crue unimodale bien isolée, on peut reconstituer la réponse unitaire pardéconvolution et l’utiliser directement et indépendamment de la cartographie numérique.


APPLICATIONS

La reconstitution des hydrogrammes de crue.

Dite aussi simulation, cette opération consiste à établir une série chronologique du débit de larivière à l’exutoire d’un bassin à partir de la relation Pluie-Débit sur la base de pluies mesurées.

La prédétermination des crues de projet

Cette opération consiste à simuler une crue particulière correspondant à une fréquenced’occurrence donnée.

La prévision des crues

La prévision des crues consiste à déterminer le débit de la rivière à un moment donné dans lefutur, à partir des données disponibles à l’instant de la prévision.

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Annexe 1

Programme

Mercredi/Wednesday 29 novembre/November 1995

PRESENTATION

09.00 Ouverture de l'atelierPrésentation de l’atelier / Workshop presentation :Les nouvelles méthodologies au service de l'hydrologie : télédétection, SIGNew methodologies for hydrology : Remote Sensing and GIS.

09.40 PALLAS P., FAURES J.M.(FAO, Rome)Manuel pour l’estimation des crues et apports en Afrique sahélienne et tropicale sèche.

10.00 NOUVELOT J.F., LAMACHERE J.M. (ORSTOM, Montpellier)Manuel FAO : Le logiciel Sahel.

10.20 Pause café

A. GESTION DES RESSOURCES / WATER MANAGEMENTA1. Approche régionale / regional approach

10.50 LOINTIER Marc (ORSTOM, Montpellier)Gestion intégrée des bassins versants côtiers et des zones humides en milieu tropical.Apport de la télédétection.

11.10 FAURES J.M., BOUSQUET Mathieu (FAO, Rome)Regional assessment of water resources with Arcinfo. Case study of the Niger riverbasinEvaluation régionale des ressources en eau au moyen d'un SIG - le cas du bassin duNiger.

11.30 BOUSQUET M., FAURES J.M. (FAO, Rome)Assessment of irrigation potential in africa using ArcinfoEvaluation du potentiel d'irrigation pour l'Afrique à l'aide d'Arcinfo.

11.50 SAVANE Issiaka (Institut d’Ecologie Tropicale, Abidjan, Côte d'Ivoire), GOZE B etH.Q. GVYN (CARTEL, Univ Sherbrooke, Canada)Evaluation des ressources en eaux souterraines dans le socle par l’étude des fracturesà l’aide des données Landsat dans le bassin d’Odienné.

12.10 ARIAS ROJO H.M., SAIZ J., WATTS C. (Mexique)Natural Resource Management in Sonora, Mexico, using AVHRR Images.

12.30 Pause repas

14.00 NGUYEN XUAN DAO (Université Catholique de Louvain, Belgique)Suivi des problèmes de gestion de l’eau d’irrigation dans le delta du FleuveRouge à l’aide des données SAR.

Annexe 1432

14.20 BEN AMOR S., MAKHLOUF A. (CNT, Tunis) et DUTARTRE P. (BRGM)Utilisation de la télédétection pour la sélection des sites favorables à l'implantationdes retenues collinaires et l'aménagement des bassins versants. région de Béja -Tunisie.

14.40 TRAORE Karim (DRH/HB, Bobo Dioulasso, Burkina Faso)La planification comme moyen d'appui à la planification des ressources en eau ; casdu sud-ouest du Burkina Faso

15.00 DESCROIX Luc (ORSTOM, Mexique)Application de la télédétection à l’évaluation des ressources en eau de la régionhydrologique 36 (Nord Mexique).

15.20 Discussion thème A1

15.50 Pause

A. GESTION DES RESSOURCES / WATER MANAGEMENTA2. Approche locale / local approach

16.20 PUECH Christian (LCT, Montpellier), Joël CARETTE (Consultant, Ivry)De l'aérien au satellite : évaluation des ressources en eau.

16.40 PATRICK Eric (University College, London, UK)Using Remote Sensing and Anthropology as data inputs into a GIS to optimize sitelocation of water harvesting schemes in semi-arid Africa.

17.00 KILLMAYER A (GEOSYS, Toulouse)De la télédétection à la gestion d’un «cadastre irrigation» dans le delta du fleuveSénégal.

17.20 BIEMI J. , JOURDA J.P. (Univ.. Nle de Côte d’Ivoire), DESLANDES S. , GVYN H.(CARTEL, Univ Sherbrooke, Québec)Positionnement, productivité et gestion des forages en milieu fissuré de Côte d’Ivoirepar télédétection et SIG.

18.00 Apéritif offert à la Maison de la Télédétection

Jeudi/Thursday 30 novembre/November 1995

9.00 AOUNI L. (CNT Tunis)Apport de la télédétection dans la mobilisation des ressources en eau de surface et lagestion du secteur irrigué (région de la basse vallée de la Medjerda).

9.20 Mohamed Rachid EL MESLOUHI (DGH, Rabat, Maroc)Etude hydrogéologique par télédétection du bassin hydrogéologique de Taza

9.40 NGUETORA Madira (EIER, Ouagadougou)SIG et gestion des ressources en eau d'un bassin versant africain.

10.00 Discussion thème A2

10.30 Pause café


B. MODELISATION HYDROLOGIQUE ET DETERMINATION DE PARAMETRESHYDROLOGICAL MODELLING AND DETERMINATION OF PARAMETERS

B1. Caractéristiques hydroloques des sols / Soil hydrological characteristics

11.00 LAMACHERE J.M. (ORSTOM Montpellier)Télédétection, états de surface et observations au sol.

11.20 LAMACHERE J.M.(ORSTOM Montpellier), PUECH C. (LCT)Télédétection et cartographie des états de surface

11.40 GUILLET François (ORSTOM/CIRAD)Etats de surface et hydrologie sur un petit bassin versant soudano-sahélien du nordYatenga.

12.00 GUILLET François (ORSTOM/CIRAD), J.M. LAMACHERE (ORSTOM)Transformation des états de surface et modélisation hydrologique sur le petit bassinversant de Samniweogo (Région de Bidi, Province du Yatenga, Burkina Faso).

12.30 Pause repas

Jeudi/Thursday 30 novembre/November 1995

14.00 COLOMBO R., MARTUCCI A., ONGARO L., SARFATTI P. (Ist. Agro. perl’Oltremare, Firenze, Italie)Remote sensing for hydrological analysis of two sub-catchments of the Mareb river(Eritrea).

14.20 BERGAOUI M., CAMUS H.(ORSTOM, Tunis)Caractérisation des zones homogènes pour des fins de modélisation hydrologique.

14.40 VINÉ Pascal (LCT CEMAGREF/ENGREF, Montpellier)Apport de la télédétection à l'étude des zones contributives aux écoulements. Cas dusite de la Mare d'Oursi (Burkina Faso).

15.00 DAOUD Abdelkarim (Fac. Lettres S. Humaines, Sfax, Tunisie), TRAUTMANN J.(CNRS CEREG, URA 95, Strasbourg)Rôle de la télédétection dans l’évaluation et la cartographie des épandages artificielsdes crues dans les hautes steppes tunisiennes.

15.20 Discussion thème B1

15.50 Pause

B. MODÉLISATION HYDROLOGIQUE ET DÉTERMINATION DE PARAMÈTRESHYDROLOGICAL MODELLING AND DETERMINATION OF PARAMETERS

B2. Bilan hydrique / Water balance

16.20 Emilia HURTADO SANTI (Universidad de Castilla - La Mancha, Albacete,), V.CASELLES (Univ. de Valencia), M.M. ARTIGAO (Albacete, Espagne)Using one or two layer models for determining evapotranspiration with remotelysensed data.

16.40 CHEHBOUNI Aghani (ORSTOM Montpellier), D. LO SEEN (NASA), G. DEDIEU(CESBIO, Toulouse), M. DAUBAS (USDA) et B. MONTENYUtilisation de la télédétection spatiale pour l'estimation de l'évapotranspiration réelle.

Annexe 1434

17.00 TROUFLEAU D. ( LCT CEMAGREF/ENGREF, Montpellier)Evaporation et télédétection infrarouge thermique en zone aride et semi aride.Mapping real evapotranspiration over arid and semi-arid regions from IRT

17.20 OUSMANE Abdou (Min. Hydraulique, Niamey, Niger)Reconstitution de chroniques de données hydrologiques anciennes par télédétection(mares du Niger).

17.40-18h10 Discussion thème B2

Vendredi/Friday 1 décembre/December 1995

B. MODELISATION HYDROLOGIQUE ET DETERMINATION DE PARAMETRESHYDROLOGICAL MODELLING AND DETERMINATION OF PARAMETERS

B3. Modèles hydrologiques / Hydrological models

9.00 SAMBOU Soussou (Univ. Cheikh Anta Diop., Dakar, Sénégal), J.P. LAMAGAT(ORSTOM, HYDROCONSULT, Montpellier)Modèle stochastique de prévision des crues sur le fleuve Gambie.

9.20 SAMBOU Soussou (Univ.Cheikh Anta Diop. Dakar, Sénégal), J. ALBERGEL(ORSTOM, Dakar), A. NONGUIERMA (Gembloux, Belgique)Modèle hydrologique et gestion d’une digue anti-sel : cas du bas fond de Ajiguinoum.

9.40 PUECH C.(LCT CEMAGREF/ENGREF, Montpellier)Télédétection et modélisation hydrologique : quelle vision, quelle échelle, quelsprocessus ?

10.00 GRESILLON J.M (LTHE, Université de Grenoble)Estimation des crues au Sahel. Réflexion sur l'utilisation de la télédétection pour laprédétermination.

10.20 Pause café

10.50 GINESTE P (LCT CEMAGREF/ENGREF, Montpellier)Télédétection radar pour la modélisation des crues.

11.10 NONGUIERMA A.(Fac Sciences Agro. Gembloux, Belgique)Modélisation hydrologique de petits bassins ruraux sahéliens : Apport de latélédétection et des S.I.G

11.30 PEREZ Pascal (CIRAD CA Montpellier), URVOIX D. (USTL Montpellier), ARNAUDM.(CIRAD C.A., Montpellier)Application du modèle GRASS-ANSWERS à la modélisation hydrologique d'un petitbassin versant d'Afrique de l'Ouest.

11.50 PERSOONS E et RANDRIAMAHERISOA A. (Université Catholique de Louvain,Belgique)M.H.M. : Le modèle hydrologique maillé.

12.10 Discussion thème B3

12.40 Discusion générale / General discussion

13.00 Clôture de l'atelier / Closure of the workshop


Annexe 2

Liste des participantsList of participants

Monsieur Akpa AKAORSTOM06 BP1203 Abidjan CedexCôte d'Ivoire

Monsieur Olivier AMRAMCESBIOBP. 280118, Av. Edouard Belin31055 Toulouse Cedex, France

Monsieur Patrick ANDRIEUXENSAM2, Place Pierre Viala34060 Montpellier Cedex 1, France

Monsieur AOUNICNTB.P.3311002 Tunis, Tunisie

Dr. H.M. ARIAS ROJOCIDESONReyes y Aquascalientes83190, HermosilloSonora, Mexico

Monsieur Michel ARNAUDCIRAD2477, Av. du Val de MontferrandB.P. 503534032 Montpellier Cedex 1, France

Madame Agnès BEGUECIRAD2477, Av. du Val de MontferrandB.P. 503534032 Montpellier Cedex 1, France

Monsieur S. BEN AMORCNTB.P. 2001080 Tunis Cedex, Tunisie

Monsieur M. BERGAOUIORSTOM5, Impasse Chahrazed El Menzah IVB.P.4341004 Tunis, Tunisie

Monsieur Frédéric BORNECIRAD2477, Av. du Val de MontferrandB.P. 503534032 Montpellier Cedex 1, France

Monsieur François BOUSQUETCIRAD2477, Av. du Val de MontferrandB.P. 503534032 Montpellier Cedex 1, France

Monsieur Mathieu BOUSQUETFAOService des eaux : ressources, mise en valeur etaménagementViale delle Terme di Caracalla00100 Rome, Italie

Monsieur Bernard CAPPELAEREORSTOM911, Av AgropolisB.P. 504534032 Montpellier Cedex 1, France

Annexe 2436

MonsieurPaul CARREORSTOM911, Av AgropolisB.P. 504534032 Montpellier Cedex 1, France

Madame Régine CHAUMEORSTOM911, Av AgropolisB.P. 504534032 Montpellier Cedex 1, France

Monsieur Ghani CHEHBOUNIORSTOM911, Av. AgropolisB.P. 504534032 Montpellier Cedex 1, France

Selma CHERCHALICESBIOBP. 280118, Av. Edouard Belin31055 Toulouse Cedex, France

Monsieur Pierre CHEVALLIERORSTOM911, Av AgropolisB.P. 504534032 Montpellier Cedex 1, France

Monsieur R. COLOMBOIst. Agro OltremareVia Cochi 450131 Firenze, Italie

Monsieur Abdelkarim DAOUDFLSH SFAXFaculté des Lettres et Sciences HumainesSfax, Tunisie

Monsieur Gérard De WISPELAERECIRAD2477, Av. du Val de MontferrandB.P. 503534032 Montpellier Cedex 1, France

Monsieur François DELCLAUDORSTOM911, Av AgropolisB.P. 504534032 Montpellier Cedex 1, France

Monsieur Jean-Philippe DENUXESAP75, Voie du Toëc31076 Toulouse Cedex, France

Monsieur Christian DEPRAETEREORSTOM911, Av AgropolisB.P. 504534032 Montpellier Cedex 1, France

Monsieur Jean- Christiophe DESCONNETSORSTOM911, Av AgropolisB.P. 504534032 Montpellier Cedex 1, France

Madame Nadine DESSAYORSTOM911, Av AgropolisB.P. 504534032 Montpellier Cedex 1, France

Monsieur J.M. FAURESFAOService des eaux : ressources, mise en valeur etaménagementViale delle Terme di Caracalla00100 Rome, Italie

Monsieur Jon FINCHInstitute of HydrologyOXIO 8 BB WallingfordUnited Kingdom

Monsieur Jean-Marie FOTSINGORSTOMMaison de la Télédétection500 rue Jean François Breton34093 MONTPELLIER Cedex 5, France

Madame Sylvie GALLEORSTOM911, Av AgropolisB.P. 504534032 Montpellier Cedex 1, France

Monsieur Philippe GINESTELCT Cemagref/ENGREF500, rue J.F. Breton34093 MONTPELLIER CEDEX 5, France


Madame Pierrette GOUAUXCESBIOBPI 280118, Av. Edouard Belin31055 Toulouse Cedex, France

Monsieur Christian GOUNELCIRAD2477, Av. du Val de MontferrandB.P. 503534032 Montpellier Cedex 1, France

Madame Caroline GREGOIRE HIMLERENGEES1, Quai KochB.P. 1039 F67070 Strasbourg Cedex, France

Monsieur J.M. GRESILLONLaboratoire CDGAAvenue des Facultés33 Talence, France

Monsieur François GUILLETORSTOM/CIRAD911, Av. AgropoliseB.P. 504534032 Montpellier Cedex 1, France

Monsieur A. KILLMAYERGEOSYS3, rue HermèsParc Technologique de Toulouse31526 Ramonville Cedex, France

Monsieur Gérard LAINECIRAD2477, Av. du Val de MontferrandB.P. 503534032 Montpellier Cedex 1, France

Monsieur J.M. LAMACHEREORSTOM911, Av. AgropolisB.P. 504534032 Montpellier Cedex 1, France

Monsieur Henri LAURENTORSTOM911, Av AgropolisB.P. 504534032 Montpellier Cedex 1, France

Monsieur François LAURENTEcole des Mines de St-Etienne188, Cours Fouriel42023 St-Etienne Cedex 2, France

Monsieur Gilles LECHAPTLCT Cemagref/ENGREF500, rue J.F. Breton34093 Montpellier Cedex 5, France

Monsieur Gilles LECHAPTLCT Cemagref/ENGREFMaison de la Télédétection500, rue J.F. Breton34093 Montpellier Cedex 1, France

Monsieur Yann L’HOTEORSTOM911, Av AgropolisB.P. 504534032 Montpellier Cedex 1, France

Monsieur Marc LOINTIERORSTOMMaison de la télédétection500, rue Jean François Breton34093 Montpellier Cedex 5, France

Monsieur Danny LO SEENCIRAD2477, Av. du Val de MontferrandB.P. 503534032 Montpellier Cedex 1, France

Monsieur Jean Yves LOYERORSTOM911, Av. AgropolisB.P. 504534032 Montpellier Cedex 1, France

Monsieur Vincent MARCUniversité Labo Hydrogéologie33, rue Louis Pasteur84000 Avignon, France

Monsieur Jean MEYER ROUXJRS ISPRA21020 Ispra(VA) Italie

Annexe 2438

Monsieur Frédéric MONIODORSTOM911, Av AgropolisB.P. 504534032 Montpellier Cedex 1, France

Monsieur Bruno MONTENYORSTOM911, Av AgropolisB.P. 504534032 Montpellier Cedex 1, France

Monsieur Roger MOUSSAENSAM2, Place Viala34060 Montpellier Cedex 1, France

Monsieur Bernard NAERTMaison de la Télédétection500, rue J.F. Breton34093 Montpellier Cedex 5, France

Monsieur Hugo NGUYENCIRAD2477, Av. du Val de MontferrandB.P. 503534032 Montpellier Cedex 1, France

Monsieur A. NONGUIERMAAGRHYMETBP 11011NiameyNiger

MADAME Monique OIORSTOM911, Av AgropolisB.P. 504534032 Montpellier Cedex 1, France

Monsieur Abdou OUSMAMEDREMinistère de l'HydrauliqueB.P. 257Niamey, Niger

Monsieur Oscar PALACIOS-VELEZMONTECILLOCarretera libre Mexico-Texcoco, km 36.5B.P. 56230Montecillo, Mexico

Monsieur Eric PATRICKDep of GeographyUniversity college London26 Bedford WayLONDON WC1H OAP, United Kingdom

Monsieur Christian PUECHLCT Cemagref/ENGREF500, rue J.F. Breton34093 Montpellier Cedex 5, France

Monsieur Philippe PUYOU LASCASSIESSCOT Conseil4, Avenue de l’EuropeParc du Canal31526 Ramonville Cedex, France

Monsieur Michel Alain ROCHEGIPHS ORSTOM911, Av AgropolisB.P. 504534032 Montpellier Cedex 1, France

Monsieur Nathalie ROUCHEORSTOM911, Av AgropolisB.P. 504534032 Montpellier Cedex 1, France

Monsieur Soussou SAMBOUUniv. Cheikh Anta DiopHamovi 361/SDakar-Fann, Sénégal

Monsieur J.L SAOSORSTOM911, Av AgropolisB.P. 504534032 Montpellier Cedex 1, France

Monsieur Benoît SEGALAGUTLARMaison de la télédétection500 rue Jean François Breton34093 Montpellier Cedex 5, France

Monsieur Luc SIGHAIRGMB.P.4110Yaounde, Cameroun


Madame Janine SOMMADépartement de géographieUniversité St Joseph. Beyrouth, Liban(adresse en France :42 rue de Grenelle75343 PARIS Cedex 07)

Monsieur Karim TRAOREDRH/HBBP 179 Bobo DioulassoBurkina Faso

Monsieur J. TRAUTMANNCNRS CEREG3, rue de l’Argonne67083 Strasbourg Cedex, France

Monsieur Denis TROUFLEAULCT Cemagref/ENGREF500, rue J.F. Breton34093 Montpellier Cedex 5, France

Damien URVOIXUSTLPlace Eugène Bataillon34095 Montpellier Cedex 5, France

Monsieur Pascal VINE LCT Cemagref/ENGREF500, rue J.F. Breton34093 Montpellier Cedex 5, France

Monsieur Marc VOLTZENSAM2, Place Viala34060 Montpellier Cedex, France

Monsieur Michel WURTZENGEES1, Quai KochB.P. 1039F 67070 Strasbourg Cedex, France

En outre, une trentaine de chercheurs des laboratoires de l’ORSTOM, du LCT et du CIRAD deMontpellier ont également participé à certaines des sessions de l’atelier.

Furthermore, about 30 researchers from ORSTOM, LCT and CIRAD attended some of the sessions ofthe Workshop.

Cette publication présente les résultats d'un atelier

international qui a été organisé à Montpellier en

décembre 1995. Lobjectif de cet atelier était de faire le

point sur les techniques et méthodes opérationnelles

d'utilisation de la télédétection pour l'évaluation et la

gestion des ressources en eau. t'accent a été mis sur

l'hydrologie de surface et sur des exemples d'application

pratique de ces méthodes. l'atelier s'est intéressé tout

particulièrement aux problèmes des pays arides et semi

arides en développement pour lesquels ces techniques

peuvent représenter un atout important.

This publication presents the results of an international

workshop which was organized in Montpellier, France, in

December 1995. The purpose of the workshop was to

review the state of the art in the use of remote sensing

for water resources assessment and management, with

special reference to operational techniques. Emphasis

was given to surface hydrology. The workshop was

particularly concerned with applications for arid and

semi-arid areas in developing countries, for which such

techniques are believed to be of particular relevance.

ISBN 92- 5-004070-9 ISSN 1020-6523

1111111111111111111111119 789250 040707

M·54 W7 32 0B i/1/12 .97/1 50 0