LES EXPERIMENTATIONS

Le ruissellement étant un phénomène non prépon- dérant sur ce type de sol, nous avons choisi de reproduire une pluie de 45 mm à une intensité de 60 mm/h, ce qui représente une pluie journalière de fréquence décennale mais appliquée en un temps court. On devra donc considérer cette pluie comme un test permettant de différencier

plusieurs types de situation et non comme la reproduction d'un évènement naturel.

106

Fig. 1

ta . ” II * I. ,.w ^2O

Bassin

*’ :

1

I

/ a.v I?l MORIN

J :

8.” \

<El.“Q d. i B.V MARNE

;assin de l’orgeval

HYDROGRAPHIE

Les paramètres relevés pour l’analyse des différents sites d’expérimentation sont les suivants :

- Rugosité de surface qui représente le microrelief de la surface du sol dû aux façons culturales et son éventuelle modifi- cation par les agents que sont les pluies, le gel et les agents biologiques notamment.

Cette rugosité est appréciée visuellement en 5 classes allant du labour au sol nu dépourvu d’aspérités.

- Taux de recouvrement de la végétation.

- Présence ou absence de drains enterrés.

- Pente.

- Type de culture réparti en 4 grandes classes, cultures d’hiver, cultures de printemps, situations après récolte se divisant en 2 sous classes : récolte de maïs ou betterave (sols très tassés par les engins de récolte), ou chaumes de blé, orge ou pois (sols peu tassés par les engins de récolte).

- Profil d’humidité pondérale par couches de 10 cm jusqu’à 80 cm de profondeur (méthode gravimétrique).

- Analyses de sol (texture, matière organique, stabilité structurale).

Au cours de la simulation de pluie, on mesure les volumes écoulés à un pas de temps 5 mn et on prélève en fin d’essai un échantillon moyen d’eau de ruissellement afin de mesurer les matières en suspension.

108

Pour chaque essai, on calcule le coeffirient de ruissellement obtenu Kr % = -!!-

P V = volume d’eau recueillie par ruissellement P= apport d’eau au cours de l’essai.

Les essais ont porté sur 39 semis d’hiver, 30 semis de printemps, 23 situations après récolte, 3 labours et 1 blé* avant montaison.

. .

3 - LES RESULTATS

Les histogrammes des figures 3 à 5 montrent la variabilité des coefficients de ruissellement au cours des essais avec une prédominance des coefficients de ruisselle- ment faibles. La valeur moyenne des Kr est P 30 % tandis que la médiane se situe à 25 %. Il faut noter ici l’impor- tance des situations après récolte notamment chaumes de mais et de betteraves pour lesquelles les Kr sont très élevés. Beaucoup plus instructive est la comparaison

cultures d’hiver, cultures de printemps. En fait, il s’agit de semis levés dont lestaux de recouvrement sont faibles et atteignent au maximum 25 $.

Sur semis d’hiver le ruissellement observé varie de 0 à 92 %, si la moyenne se situe à 25 % la médiane est à 5,s %. Sur semis de printemps la variabilité est encore très grande mais la moyenne et la médiane se situent res- pectivement à 38 et 39 %.

Ces résultats montrent qu’il existe une diffé- rence importante de susceptibilité du sol au ruissellement entre cultures d’hiver et de printemps. Si l’on observe la répartition des classes de rugosité d’une part sur l’en- semble des essais effectués et selon les deux types de semis, printemps et hiver d’autre part (fig. 6 à 9), on peut faire les remarques suivantes : les deux classes extrêmessont

L

=

-1 ru.0

= Y

30

20

VARIABILITE DU RUISSELLEMENT

i 3 : 50

= . lu

40

3

# 20

10

0

‘,

l

Fig.3 ENSEMBLE OES ESSAIS Kr X

‘“1

0 15 Fig.4

30 45 60 ?5 90

SEMIS 0’ HIVER

100 Kr X

L

= : w

30

20.

10’

0 (5 30 45 60 75 90 3

Fig.5 SEMIS DE PRINTEMPS K*W

110

REPARTITION TYPE DE CULTURE-RUGOSITE

Fig.6 ENSEMBLE OES ESSAIS Fig. 7 TOUS SEMIS

x .Z

; 60, I 3

50,

40’

30’ -

20,

10.

*

1 2 3-4 5

.Z f 60, z u

50,

40.

- 30.

20,

10’

1 2 3 4 5

Fig.6 SEMIS D’HIVER Fig. 9 SEMIS DE PRINTEMPS

* Z

; . w =

40’ -

- 30.

20.

10~

.

t 2 3 4 5

* I

peu représentées, elles correspondent aux rugosités très fortes et très faibles alors que les trois classes inter- médiaires représentent 90 % des essais. En ce qui concerne les seuls semis d’hiver et de printemps, on peut noter la disparition de la classe 5 et la faible représentation de la classe $. Pour les classes intermédiaires, on remarque la représentation croissante des classes 2 à 4 sur semis d’hiveret décroissante sur semis de printemps. Les raisons de ces différences d’état de surface sont multiples : - le travail du sol est souvent plus fin pour les semis de printemps que pour les semis d’hiver,

- le sol en fin d’hiver a subi la destructuration des agré- gats par les alternances gel-dégel, il est pour cette

raison plus sensible à la fois aux actions mécaniques des engins de travail du sol et à celle de la pluie.

Il semble donc y avoir une relation entre la rugosité du sol et le ruissellement. Mais cette constata- tion doit être modulée. En effet, si l’on observe le schéma 10 reliant les classes de ruissellement aux classes de rugosité, on remarque qu’il existe une relation décrois- sante ruissellement-rugosité nette. Mais la variabilité à l’intérieur de chaque classe de rugosité est importante.

Il est nécessaire de faire les réserves suivantes : en admet- tant que la rugosité soit un paramètre explicatif important, les classes sont probablement trop larges et peuvent être sujettes,à caution (limite entre 2 classes, problème d’ap- préciation de chaque classe).

On peut penser qu’il existe d’autres facteurs explicatifs qu’il faut alors tenter d’évaluer.

- L’humidité du sol.

Nous avons essayé de relier ruissellement et humidité du sol mais cela n’a pas abouti. Il faut noter que

112

.--. .

2 3 4 5

= 1 indlrtdu Rugoait4

..m... = ruisrell*m*nt moyen psr classe do rugositd

~ig.10 RELATION Kr - RUGOSITE

Fig. 11

REGRESSION

MULTIPLE a.

+.,

.

= - .

. . .

. .

. :

. * . . . .

. m .

. . . . .

. . . .

“_.‘... _ m-,-s.

nous ne disposions que de mesures d’humidité pondérale et non d’humidité volumique, sans mesures de densité, donc sans possibilité de calculer le-taux de saturation des différentes couches. Seuls quelques essais apparaissent cependant nettement conditionnés par l’humidité du sol où sur un type d’état de surface très rugueux on obtient des Kr très supérieurs à la moyenne de la classe.

L’indice d’humidité antérieure calculé à partir des pluies naturelles des jours précédant l’essai et selon une décroissance exponentielle avec un facteur 1/2 n’a pas apporté plus de résultats.

- Les autres relations testées n’ont pas donné de résultats très probants : texture, taux de recouvrement de la végétation, pente.

- Régressions multiples.

L’objectif de cette phase était de tenter d’expliquer la variabilité du coefficient de ruissellement expérimental Kr. On a recherché par régressions multiples une relation avec les paramètres suivants : rugosité de surface, type de culture, humidité et texture des sols, pente, présence-absence de drains enterrés, une fonction sinusoïdale de la date de l’essai et le paramètre d’une‘

relation de rendement pluie-crue variable dans le temps et déterminé sur le bassin contigu de Melarchez.

Nous avons effectué au préalable une transfor- mation du coefficient Kr variant de 0 à 1 en un coefficient C variant de 0 à l’infini par la formule C = - Kr dont nous avons pris la valeur logarithmique. 1-Kr

Au cours de cette étape sont apparus significa- tifs les paramètres rugosité, type de culture et humidité pondérale de surface. La régression multiple effectuée

114

sur l’ensemble des essais donne un coefficient de corré- lation multiple de 0,705 ce qui correspond à 50 % de variante expliquée avec une erreur standard de 1,46

(voir figure 11).

On obtient l’équation suivante :

Log c = - 5,s + 0,74 Rugosité + 22.3 Humidité pondérale - . 1,2 type de culture .

c =

exp (-5,s + 0,74 Rugosité + 22.3 Humidité pondbrale -. 1,2 type de culture.).

Les rapports coefficient sur écart type des coefficients de régression sont respectivement de 3,2 pour la rugosité, 3,8 pour l’humidité et 4,l pour le type de culture. Ces trois variables sont toutes significatives au seuil de 1%0 .

Bien que ces trois variables nous permettent d’expliquer une moitié de la variabilité du coefficient de ruissellement expérimental (à une transformation analytique près), il n’en demeure pas moins que la variation résiduelle est très importante : erreur standard égale à 1,46, ce qui correspond à une variation de 1 à 20 dans 70 $ des cas (contre 1 à 400 avant explication par les 3 variables signi- ficatives).

CONCLUSION

Le résultat essentiel est donc qu’on ne peut pas dans l’état actuel de nos connaissances utiliser la simulation de pluie pour en déduire les termes d’une foncr tion de rendement sur tout un bassin versant. Cependant l’outil reste probablement utilisable, en valeurs relatives, pour comparer deux bassins versants, l’un disposant de mesures hydrométriques et l’autre étant le bassin non jaugé sur lequel on recherche des estimations de crues.

Une deuxième phase de l’étude aura justement pour objet de comparer les différences de comportement à la simulation de pluie avec les différences de comportement hydrologique (paramètre d’une transformation pluie-débit pour les crues).

La grande variabilité des essais effectués sur un bassin réputé homogène nous conduira obligatoirement à être très prudents sur le protocole des mesures comparatives.

Il faudra vraisemblablement choisir des parcelles ayant sensiblement la même position à l’intérieur du bassin ver- sant, la même culture . . . . et faire les mesures à la même époque.

116

OASTOM

INSTITUT FRANCAIS DE RECHERCHE SCIENTIFICWE

POUR LE DEVELOPPEMENT EN COOPERATION

24, rue Bayard 75008 Paris

HYDROOYNAMIQUE SUPERFICIELLE DE QUELQUES

TYPES PE SOLS DU SAHEL AFRICAIN COMPARAISON DES

DONNEES FOURNIES PAR DEUX 0IMENS;ONS DE PARCELLES

0E SIMULATION OE PLUIE

( Journées hydrologiques de Montpellier)

Septembre 1995

J . COLLI NET Pédologue

aout 1995

. __.-““-..” .~ - --

3. Analyse comparative de l’hydrodynamique

à partir des données fournies par les deux

Dans toutes études concernant 1' hydrodynamique des sols et utilisant des méthodes expérimentales, il convient

de connaître quel peut être le domaine d'exploitation des données

obtenues à,partir de dispositifs de dimensions croissantes. En

d’autres tirmes, il s’agit d’évaluer l'importance du facteur échel-

le quant à la possibilité d'extrapoler les résultats. Il est ap-

paru que sur des parcellss de simulation de pluie dont les supsr-

ficies augmentent de 1 m à SC m2, les résultats étaient compara- bles et voisins pour des sols du Sahel africain sujets au oolmata- ge de leurs porosités superficielles [coefficient de ruissellement

supérieur à 75 Xl. Oes résultats sensiblement différents sont par

des zones plus humides, il deviendra probablement plus difficile de retrouver cette assez bonne concordance de résultats.

Mots clés

Hydrodynamique superficielle,Ruissellement,

Infiltration,Facteur échelle, Simulation de pluie, Conductivité

hydraulique, Organisations pelliculaire5 superficielles, Erosivi-

té des pluies, Sols fersiallitiques, Sols isohumiques brun-subarides.

118

1 ntroduction

La caractérisation de l’hydrodynamique superfioiel-

des sols fait appel à des techniques ui consistent, le plus sou-

vent, à isoler sur un site expériment r3 1 donné une surface de sol

soumise à des essais d'infiltretion sous des lames d’eau plus ou

moins hautes où l’on respecte donc plus ou moins les conditions

naturelles de l'infiltration. Les données fournies doivent dono tou-

jours faire référence à la technique utilisée afin qu'il soit pos- gie superficielle et profonds,

- maitriee de l’époque de l'intervention afin de pouvoir

integrer les paramètres de situation lorsque ceux ci évoluent de fe-

çon saisonnière soit naturellement [couvert végÉte1, activité bio-.

logique etc..), aoit artificiellement [techniques culturales], - imitation des contraintes climatiques naturellse

notamment an ce qui concerne les caractéristiques des précipitations

[hauteur, intensité, temps de reesuyage du 501 entre dsux averses

ment sous pluies naturelles et compliquent l’interprétation des

données,

- utilisation et extrapolation des données stationnelles;

même si la simulation de pluie permet de sa rspporcher des candi;.

tiens pluviométriques netursllss, il s'agit toùjours d’une techniwe

expérimentale- qui slappliqus à un milieu circonactit artificiel;- 4

lsment et généralement de faible superficie donc, entr’sutres choses

de faible longueur de versant ; de ce fait certains processus ns

peuvent pas être reproduits tels que l'apparition d’uns hiérsrohi-

sation du ruissellsmsnt ou encore une intégration de touts5 155

hétérogénéités influençant l’hydrodynamiqus ; il est aussi probs-

ble que l'augmentation de le dimension des dispositifs expérim sn- taux ne 55 traduit pse toujours par une juxtaposition de procesars

élémentaires où les données fournies à l'exutoire pourraient être

déduites d’une sommation pondérés de résultats élémentairss, mais

il peut appsreitrs d’autres processus découlant de l’augmentation

de la superficie.

Il ne sers qusstion,dans cet article, que d’essayer d'analyser ce qustriàme point dont la problèmetique pourrait se

résumer dans l'intitulé " identification et appréciation du factsur

échelle".

les mêmes sites expérimentwx positionnés sur trois types de sols

ficie d’un climat sahélien typique avec une moyenne interannuelle des précipitations avoisinant 450 mm tombant en une quarantaine

d’averses entre juin et septembre. La campagne de simulation de

pluie s'y est déroulée en novembre et décembre 1979 sur un des var-

aants dominant la mare au sud-sud est, s’étendant sur quelque 0,s km

et dominé à l’amont par le massif de Koel à affleurements chaotiques

de gabbroa. Une reconnaissance pédologiqua préliminaire, facilitée

par les travaux antérieurs de J.C. LEPRUN C1977J et de F. JOLY, par des sols brun-rouges, sableux an surface, discràtamsnt tachetés de jaune 5t argileux vers -170 cm CA+LF= 5 à 11 % J, leur structura

[C.P.C.S. - 1967-l en "Sols fersiellitiquas, ferrugineux tropicaux

peu lessivés, à drainage interne limité an profondeur”.

Leur caractérisation fut complétée par une étude

détaillée des organisations structurales de leur surface. Ceci a

permis de distinguer deux types d’organisation pelliculaire super-

ficielle" CO.P.S.l . . pour reprendre une terminologie de C. VALENTIN cl992 et 1905): des zones dénudées soumises à lrabresion actuelle du vent, du ruissellement et à l'action des gouttes de pluie, et

des zones eneablées par une éolisation actuelle,souvent enherbéee,

éolisation et enherbement complàtent d'silleurs leurs effets car la rugosité du sol permet le piageage des graines et le dépôt de sable

d’organisations: l'une correspondant à des zonas dénudées, “glacées”

120

soumises à la battanca des pluies, et 1, autre à des zones enherbées eu niveau de sédiments argilo-limoneux craquaiés en lamelles rabrws- sées plus ou moins couvertes de sables éoliens piégés par les lamel- las.

1.3. Site ---- C

La pente moyenne est de 3,2 Y. , vers la milieu de le séquence, on passe à des granites alcalins supportant des sols gris pâles, sableux grossiers et faiblement graveleux, massifs, très cohérents à l’état sec sur 20 à 30 cm puis jaunss, argilo-sableux

grosaier, graveleux et gravillonnaires, de plus en plus -tachetés de beige vers las altérites aràniformes et hydromorphes du granite que l’on découvre vers 120 cm CA+LF= 10 % de 0 à AlOcm, 20 X vers -3O.cm

et 50% vers 120 cm]. Ces sols, largement représentés au sud-est de

le mare, sont oartogrephiés en "sols fersiallitiques, tropicaux

lessivés, ou appauvris, à taches, concrétions et horizon éluvial bien

développé,‘. En surf ece, on découvre des zones dénudées où las élé-

ments fins peuvent agglomérer des sablas grossiers et des graviers

ainsi que des zones ensablées, généralement enherbées mais ou las

alternances de colluvionrament et sédimentation dûs au ruissellement

l’emportent sur les actions éoliennes, il en résulte das interstra-

tificetions laminaires essaz complexes.

2. METHODOLOGIE

.Deux eppareils ont été utilisés conjointement:

l'in,$iltromàtre à aspersion arrosant une surface variant de 2,5 à

13 m et contenant un cadra infiltrométrique de 1 m2, et la simu-

lateur de pluie arrosant une surfece de 200m2 à l'intérieur de la-

quelle sont disposées deux parcelles de ruissellement et d’érosion

de 50m2. Le combinaison de ces moyens a permis de tester les compor-

tenrnts hydrodynamiques [et érosifs] des multiples situations expéri-

mentalss évoquées précédemment. Les O.P.S. n’étant souvent homogènes

et continues que sur quelques mètres carrés, il e été plus commode d’y utiliser l’infiltromàtre pour connaitre leurs réactions spécifi- ques. Par contre, les 200 ML arrosés par le simulateur contenaient

souvent plusieurs types d’0.P.S.. Avant tous essais, on a procédé

à une cartographie détaillée de ces organisations par une méthode

adaptée des points quadrats afin de connaitra le répartition et la

superficie couvertes par chacune d'entr'elles.

Nous ne détaillerons pas les caractéristiques tech-

niques des deux typas d'appareils, rappelons qu'ils parmettent de réaliser des averses aux intensités et durées de pluie conmes, con-

peuvent pas être reproduites.

L'exploitation des limnlgrammes de ruissellement

parmeo de dresser, pour chaque pluie ou averse, un hydrogramme de

- Hauteur de la détention superficielle récupérable

après l’arrêt de la pluie : Dr [mm] qui est le résultat

de la.partition entre les quantités d’eau ruisselées et

infiltrées,

- Hauteur de la lame d’eau ruisselée: L [mm) ou valeur

cumulée SL

- Hauteur de la lame d’eau infiltrée: W [mm) ou valeur

cumulée SW

- Coefficient de ruissellement: Kru [X) = lOOL/Pu

- Intensité maximale du ruissellement: Rx [mm/h]

- Intknsité minimale de l'infiltration, ou intensité

d'infiltration à régime constant: Fn [mm/h] = I-Flx

Intensités l r/b -?--

Infiltromètre à aspersion

riqrrrco do pluies

Intensités mm11

l

Simulateur de pluies

utilisés:

mieeions de simulation de pluies, les protocoles expérimentaux rete-

nue se sont efforcés de tenir compte des conditions naturelles des

précipitations dont les caractéristiques sont obtenues par une étu- de statistique des relevés pluviométriques [Y.BAlJNET MORET- 1969).

Cependant, l'obligation d'obtenir certaines veleurs limites (Rx,Fn et

Il entr’autres] amène un calage de ces protocoles sur des évènements

climatiques d’occurence décennale. C'est une critique souvent émise que l'on peut lever en maintenant en place leg dispoeitifs pendant

plusieurs saisons, mais ceci n’est évidemment pas possible pour les

missions lointaines de courte durée comme.par exemple, celle dont il est question dans cet article.

Sous infiltromètre, dix pet-celles furent installées sur le site A, trois sur le site 6 et deux sur le site C; ce nombre d'essais correspond è la combinaison des situations expérimentales

résumées sur le tableau no 1.

TABLEAU 1 : SITUATIONS EXPERIMENTALES TESTEES SOUS INFILTAOMETRE

Légende des organisations pelliculaires superficielles C0.P.S)

- N: zone dérudée è pellicule de battance ou de décantation

Sous simulateur, le programme prévoyant une étude

Le répartition des organisations superficielles

sur les différentes parcelles de sols~leur état naturel est résu-

La comparaison des comportements portera donc principalement sur les situations résumées dans le Tableau no III

Parcelles Simulateur Parcelles Infiltromètre

A 1

3.-ANALYSE COMPARATIVE DE L’HYOROOYNAMIPUE SUPERFICIELLE A PARTIR OES DONNEES FOURNIES PAR LES DEUX OISPOSITIFS

Pour une situation sxp~imentsle donnée [type de sol,

type de trsitsment, type d'organisation) le succession des averses

prévues dans les deux protocoles contient'globelement des évènements

[intensité, durée, rsssuyege) identiques ou voisins qui impoeent donc

è un moment donné, les mêmes contraintes eux sols étudiés; dès lors,

les expressions ou relations suivantes peuvent être étudiées:

SL = f [SP”] C!l

Rx [ou Fn] = f CI) c21

Compte tenu de 1, importance que prennent, en zone

sehélienne, les organisations superficielles dans le contrôle de la.

conductivité hydrauiique, il est apparu intéressant d’arrêter ces comparaisons è un nivesu de contrainte donné plutôt que de ne consi-

dérer seulement que des hauteurs de pluies cumulées identiques. Pour

cette raieon,lee érosivités cumulées des pluies C SR 1 ont été cal- culées sur les deux dispositifa Ccf.5 3.1.) et les coefficients de ..

ruissellement utiles moyens, déterminés en reprenant le relation cl],

s’appliqueront à des valeurs de SR identiques sur les dsux types

de parcelles.

Il a été également possible d’essayer d’évaluer les vitesses de modification des structures superficielles soumises aux contraintes des averses simulées en tenant compte du cumul des

énergies cinètiques dissipées sur la surfece des sols en considérant

la relation:

Fn = f CSR) (33

Il a par contre été difficile,sinon impossible, de

sélectionner,dens les deux protocoles,dee pluies isolées pour comps-

rer leurs effets et ce, même en prenant la précaution de retenir des

variations d'intensité [Fig. 21,

- par contre, pas d’influençe perceptible è ce niveau

des variations d’intensité sur les sites S et C sur sols naturels et

labourés des deux dispositifs [fig. 3 et 41,

_, ., -_

SL em

S I T E ‘A’ RalJtlJJ ?IJlJ- LJSS rJlssJli*

_. -_..

SITE ‘B’ arlrtlrr PIJIJ - LJSJ rrlrrrl~r SL se

81

100

100

0

0 100 200 3oo SPU mm. I[-a;-u

_- _.

126

- . . . --..“.<_

SITE ‘C’ Rrlatlsa ?lrlr - lrer r,lrs~lki

SLmm.

Nz CI

SPU ma jpiq

I

- enfin, en exceptant la première, parfois le seconde pluie,

les doua dispositifs détectent de la même feçon uns identité ramer- quabls des comportements entre les parcelles en leur état naturel et

les parcelles labourées des sites B et C peu perméables [F)g. 3 et 41,

une divergence de réactions se manifeste par contre sur les sols è

recouvrement sableux du site A [Fig. 23.

Les informations fournies par les deux superficies

présentent donc la même cohérence dans la discrimination des compor-

tements des différents sites, qu’en est-il maintenent des données

tements des différents sites, qu’en est-il maintenent des données

Dans le document J O U R N E E S H Y D R O L O G I Q U E S D E L ’ O R S T O M A M O N T P E L L I E R 1 7 - 1 8 (Page 109-147)