Le transport par ruissellement

Les particules du sol sont transportées par le ruissellement selon plusieurs modes avant de se déposer par sédimentation (figure 2). Ces modes de transport sont :
– la suspension: c’est le mode de transport des éléments très fins car la force qui les entraîne est supérieure à la force nécessaire à leur sédimentation.
– la saltation: c’est le mouvement d’un grain éjecté qui est emporté par le ruissellement et qui descend vers le « fond » selon une trajectoire déterminée par la gravité et la force d’entraînement.
– la reptation: c’est un mouvement en petit bonds de grains délogés par d’autres grains par un phénomène de type « splash ».
– le charriage de fond: ce mode de transport concerne les grains de grande dimension qui sont transportés, par roulement, par glissement ou par bonds successifs, dans la partie inférieure de la hauteur d’eau en écoulement dû à l’effet des forces hydrodynamiques. Les grains conservent un contact avec le sol. Le charriage de fond n’existe habituellement quelorsque le débit de ruissellement est très fort. L’entraînement et le transport des particule ssont fonction de la force d’entraînement, de la taille et de la densité des particules. Lasédimentation se produit lorsque le ruissellement n’est plus capable de transporter les particules à cause d’un ralentissement de la vitesse d’écoulement.

La sédimentation

Les particules détachées du sol sont déposées sur de longues distances entre le lieu de détachement et la mer. Il peut y avoir des différences entre l’érosion des versants et les sédiments en aval. Ce principe de déposition est en fonction de la vitesse du ruissellement, de la dimension, de la densité et de la capacité du transport des particules. Les rivières constituent des collecteurs classiques de dépôts, tel que constatés dans le lac Alaotra.
Cependant, les impacts deviennent plus sérieux lorsque les plaines rizicoles se situent directement en aval des bassins versants érodés.

Les formes de l’érosion

Les formes de l’érosion varient très largement d’une région à l’autre par suite de la diversité du relief, des variations climatiques, de la nature et de densité de la couverture végétale.

L’érosion diffuse

L’érosion diffuse est due à l’impact des gouttes de pluies. L’énergie de la pluie provoque l’éclatement des agrégats et les particules arrachées rejaillissent à la surface. Cette érosion par effet « splash » apparaît sur des pentes même faibles et n’affecte que les éléments fins, argiles et limons. La disponibilité des fines est donc accrue, elles pourront être mobilisées même avec un ruissellement faible. Le ruissellement diffus (Seet flow) est marqué par de minces filets d’eau désordonnés à faible vitesse. Le pouvoir érosif est faible. Cette érosion est donc sélective, les éléments grossiers s’accumulent en surface.

L’érosion en rigole

L’érosion en rigole apparaît sur les pentes plus fortes et le plus souvent dans des zones de concentration (fossé, talweg, traces de roues et d’outil, chemins, rigoles etc.). Les sols en argile sont les plus touchés. L’énergie forte de l’eau concentrée conduit au transport et à l’arrachement des particules. Le ruissellement en rigole (Rill flow) est favorisé par l’augmentation de la vitesse d’écoulement et renforce le pouvoir érosif.

L’érosion concentrée

Elle est parfois, sur du substrat marneux, dans le cas où les pentes sont très fortes, les mouvements de masse et les coulées de boues peuvent se former (Le Bissonais et al., 2002). Les rigoles dans le ruissellement concentré (Gully flow) vont influencer la vitesse d’écoulement qui va augmenter de plus en plus pour évoluer en ruissellement ravinant.

Le lavaka

Le « lavaka » est un décollement ou détachement d’une énorme quantité de sol sur le « tanety ». Topographiquement, il se caractérise par des parois verticales et un profil transversal en « U » ou en « V » pouvant atteindre 100 m de profondeur avec une envergure environ de plusieurs kilomètres.

Les impacts de l’érosion

Les impacts de l’érosion du sol peuvent être classés en deux groupes dont les impacts locaux et les impacts en aval.

Les impacts locaux

L’érosion hydrique peut entraîner les lessivages des semences et des jeunes pousses. Sur les pentes sensibles à l’érosion, les cultures sont recouvertes de sédiments. La présence de ravines temporaires sur les champs d’une plantation agricole peut créer des problèmes lors du travail du champ et de la récolte. La conséquence de perte de sol s’explique par la réduction de la teneur en humus et en éléments nutritifs du sol dans la couche fertile. Cela entraîne une diminution importante de la productivité.

Les impacts en aval

La masse de terre qui a été déplacé va se déposer dans les bas-fonds. Toutes les zones basses subissent souvent le problème d’ensablement, l’accumulation des sédiments fins dans les points bas qui peut étouffer la végétation. L’ensablement des rizières entrainent la diminution de la production et la baisse des revenus des paysans. La sédimentation dans les cours d’eau et dans les bassins d’orage diminuent la section d’écoulement et le volume de rétention, ce qui augmente le risque d’inondation. Après de fortes averses, l’inondation et l’excédent de boue occasionnent des dommages aux particuliers notamment les logements, les véhicules, etc. ainsi qu’au niveau des équipements publics (routes, canaux d’égout, etc.).

MODELISATION DE L’EROSION

La modélisation globale de l’érosion du Lac Alaotra constitue le cœur de cette étude. Mais, avant d’entrer dans le vif du sujet, on doit définir d’abord le concept de la « modélisation ».

La Définition d’une modélisation

« La modélisation est une représentation des phénomènes physiques sur terrain à travers un outil informatique afin d’établir la réalité sur place en un modèle réduit pour pouvoir l’utiliser à des fins intéressants » (Mourad, 2005). En météorologie, la modélisation permet d’analyser des phénomènes réels et de prévoir des résultats à partir de l’application d’une ou plusieurs théories à un niveau d’approximation donné. Il synthétise aussi les deux sens symétriques et opposés de la notion de ressemblance, d’imitation et de représentation (Wikipédia, 2013).

Le but d’une modélisation

La modélisation consiste à construire un prototype conceptuel qui servira de « modèle » à une construction réelle. Il a pour but de faciliter la compréhension des phénomènes souvent complexes et au final prévoir et proposer des mesures pour dissimuler les effets non souhaités. Il est utilisé fréquemment pour la prévision d’érosion, de crue, de sécheresse, etc. En hydrologie, la modélisation sert à connaître le fonctionnement du bassin pour en prévoir les réponses. Ils vont permettre la mise en place de scénarios qui serviront d’aide à la décision pour les acteurs concernés tandis que les projets d’aménagements du territoire.

Facteur de couverture végétale (C)

Le facteur de couverture végétale correspond au facteur de culture (végétation) et de gestion. Il exprime l’influence des méthodes culturales et de la régie des sols et des cultures sur les pertes de sol par érosion. Ce facteur incorpore les effets du couvert végétal de la séquence des cultures, du niveau de productivité, de la longueur de la saison de croissance, des méthodes culturales, de la quantité de résidus laissés sur le sol et de la distribution de l’indice de l’érosivité de la pluie (R). Ce facteur varie entre 0 (plan d’eau) et 0,2 (m osaïque de culture), etc (tableau 2). L’indice de culture (C) varie selon la couverture végétale.

Facteur de conservation et d’aménagement (P)

Le facteur de conservation (P) exprime l’influence des méthodes de conservation sur l’érosion. II est égal à l’unité pour un sol cultivé dans le sens de la pente et caractérisé par la modification du profil, de la pente ou de la direction de l’écoulement du ruissellement en surface. Les pratiques de soutien courantes sont : la culture en pente transversale, la culture en courbes de niveau, la culture en bandes alternantes, l’aménagement de terrasses et l’aménagement de voies d’eau gazonnées.

Le modèle SWAT

Présentation du modèle SWAT

Le modèle SWAT a été développé en 1994 par Jeff Arnold et Allen au centre de recherchedu Département d’Agriculture des Etats-Unis (USDA). C’est un modèle conceptuel, conçu pour analyser les bassins versants de quelques centaines à plusieurs milliers de km² avec un pas de temps journalier. Il permet de simuler les impacts des usages et des aménagements sur des bassins versants (Payraudeau, 2002). Son couplage à un Système d’Information Géographique « SIG » permet le prétraitement des données topographiques et facilite la conception des fichiers d’entrées ainsi que la visualisation des sorties spatialisées. SWAT est également un modèle hydrologique permettant de prédire les effets de changement d’occupation des sols et changements climatiques sur le cycle hydrologique ainsi que la qualité de l’eau d’un bassin versant.
L’unité de réponse hydrologique (HRU) est l’unité spatiale de SWAT. Il représente les zones homogènes issues de la combinaison des unités topographique, pédologique et de l’occupation du sol (Neitsch et al., 2005 et Gassman et al., 2007). En plus de la reconstitution du régime hydrologique, le modèle SWAT est utilisé pour la modélisation du transport des sédiments et des nutriments ainsi que pour l’analyse des impacts du climat, du sol, de la végétation et de l’agriculture sur les écoulements (Shrestha et al., 2009).
En tant que modèle conceptuel, SWAT cherche à reproduire les processus qui ont réellement lieu dans l’environnement ou du moins un processus analogue. Ceci est effectué à l’aide de nombreuses et complexes équations, dans lesquelles interviennent les paramètres spécifiques au bassin versant modélisé et que l’utilisateur peut modifier. Il prend en compte les propriétés du sol, son type d’occupation, et les pratiques agriculturales qui y ont lieu.

Format des données utilisées dans le SWAT

L’ARCSWAT est issu de la combinaison du modèle SWAT avec l’interface graphique ArcGIS. Le développement de ces interfaces graphiques facilite la gestion des bases de données et la préparation des fichiers nécessaires à SWAT. Le couplage avec le SIG permet de gérer des données de type raster, vecteur et alphanumériques. Ainsi, le paramétrage des données numériques par l’utilisateur et la visualisation des résultats s’effectuent par le biais des formats « database » (.dbf). Pourtant, les fichiers de sorties sont convertis par SWAT en format Ascii. C’est un logiciel américain et de nombreuses valeurs sont définies par défaut selon les conditions américaines. Le séparateur des décimales est donc le point.
La virgule, elle, sert de séparateur pour les milliers. La date doit être écrite de la manière suivante : mm/jj/aa. Par exemple, le 31 décembre 2013 s’écrira 12/31/13. Les détails sur les formats de données d’entrée nécessaires pour SWAT sont représentés dans l’annexe.

NOTION DE SIG

Quelques définitions

Il existe plusieurs manières de définir un Système d’Information Géographique. Un SIG est un outil informatique qui permet d’intégrer, de localiser, d’analyser et de représenter des données qui ont ou non une dimension géographique (Scanvic, 1983). Selon Collet en 1992, un système d’information géographique peut être défini comme un environnement de gestion et d’exploitation d’une information à caractère spatial. Cet environnement permet l’exploitation des dimensions thématiques, spatiales et temporelles de l’information à des fins de description, d’analyse et de prévision de la réalité considérée. C’est également un système informatique permettant la saisie, le stockage et le traitement de données, ainsi que la présentation des documents finaux résultant des traitements (Caloz, 1993).

Objectifs du SIG 

Le SIG est un outil de gestion de l’espace géographique et d’aide à la décision, grâce à l’utilisation d’une base de données géoréférencées. Il permet de rassembler et d’organiser, de gérer, d’analyser et de combiner, d’élaborer et de présenter des informations localisées géographiquement, contribuant notamment à la gestion de l’espace à partir des diverses sources. L’informatisation est donc nécessaire car les bases de données devraient être manipulables en divers formats numériques.

Les composants

Dans un SIG, existe cinq composantes majeures dont les utilisateurs, les matériels, les logiciels, les données et les méthodes.

Les utilisateurs 

Ce sont les éléments les plus importants, composés d’une ou plusieurs personnes capables de manipuler les matériels de partager et de gérer les Bases de données à partir des logiciels SIG. Ces personnes doivent maitriser les diverses méthodes et principes utilisés en SIG.

Les matériels 

L’ordinateur est d’abord une machine à traiter de l’information. En géomatique, cette information est volumineuse et les traitements sont souvent complexes. On souhaitera donc maximiser les éléments affectant la performance de l’ordinateur car les capacités du matériel conditionnent la rapidité d’exploitation, la facilité d’utilisation et le type de sortie possible.

Les logiciels

Les logiciels SIG sont ceux qui permettent de créer, de gérer et d’exploiter des bases de données localisées qui centralisent l’ensemble de l’information. Ils possèdent une composante topologique, plus clairement ils ne gèrent pas seulement de l’information spatiale (formes) mais aussi des données attributaires (alphanumériques). Ils peuvent également intégrer temporairement par des bases de données externes à partir du Microsoft Access, tableau Excel afin de les exploiter. Pour la raison de facilité le travail, on est obligé d’utiliser le logiciel libre dont le code source est disponible. Il peut ainsi être reproduit, modifié et redistribué.
Le logiciel qu’on utilise pour cette étude est le logiciel Swat2012/ArcSwat, développé dans le centre de recherche du Département d’Agriculture des Etats -Unis est un logiciel libre téléchargeable dans le site web officiel du modèle SWAT :
Le second logiciel est ArcGis 10.1, qui a été développé par ESRI. Il est plus utilisé dans le domaine du SIG vecteur. Les données matricielles ou rasters sont aussi applicable en installant l’extension « spatial analyst ». C’est l’outil privilégié pour l’analyse spatiale dans cette étude.

Les données

Le cœur d’un tel système est une base de données qui concentre toute l’information sur la zone d’étude concernée, sous forme de différentes couches d’information ou plans d’information géoréférencés. Ces derniers sont composés par les entités géographiques (objets géométriques). Ces entités peuvent être organisées en fonction de ce qu’elles représententpar exemple les cours d’eau ou les routes (entités linéaires), mais elles sontgénéralement mémorisées dans des couches distinctes car leurs attributs sont différents.
Il existe donc deux formes de données en Système d’Information Géographique, comprenant les données vectorielles, et les données raster. Les premiers sont les données au format vecteur qui permettent de définir individuellement chaque objet de la réalité par une forme géométrique (entité) telle qu’un point, une ligne ou un polygone. Chaque type d’objet est défini par un couple de coordonnées X, Y (points) ou par une série de couple de coordonnées X, Y (lignes ou polygones), chaque couple étant relié à son voisin par une corde. Tandis que les deuxièmes sont au format raster, et utilisent une matrice de cellules carrées (ou pixels) pour modéliser les objets du monde réel. Seul un couple unique de coordonnées indiquant les coordonnées d’un coin de l’image (le coin en bas à gauche)(figure 5).

PRESENTATION DE LA ZONE D’ETUDE

Localisation de la zone d’étude

L’étude est réalisée au niveau du Bassin Versant (BV) de Lac Alaotra situé au Centre-Est de Madagascar (figure 6), logée sur la marge Nord-Orientale des Haute-terre malgaches (Raunet, 1984). Ce BV se situe à cheval entre deux Districts, Amparafaravola et Ambatondrazaka ; il existe une petite partie qui touche les Districts d’Andilamena, Tsaratanana, Vavatenina, Anjozorobe et Moramanga. En utilisant le système de coordonnées de la projection UTM suivant le système géodésique WGS 84 zone 38 Sud, il est localisé entre 17° et 18° latitude Sud et 47° et 48° longitude Est.

Table des matières

REMERCIEMENTS
LISTE DES FIGURES
LISTE DES TABLEAUX
LISTE DES ANNEXES
LISTE DES ACRONYMES ET ABREVIATIONS
INTRODUCTION
PARTIE I : GENERALITES
Chapitre 1. CONCEPTS DE L’EROSION DU SOL
Chapitre 2. MODELISATION DE L’EROSION
Chapitre 3. NOTION DE SIG
PARTIE II : APPLICATIONS
Chapitre 4. PRESENTATION DE LA ZONE D’ETUDE
Chapitre 5. CLIMAT DE LA REGION DU LAC ALAOTRA
Chapitre 6. METHODOLOGIE ET MATERIELS
PARTIE III : RESULTATS ET DISCUSSIONS
Chapitre 7. RESULTATS ET INTERPRETATIONS
Chapitre 8. DISCUSSION
CONCLUSION
BIBLIOGRAPHIES
WEBOGRAPHIES
ANNEXES