UNIVERSITE D'ANTANANARIVO

ECOLE SUPERIEURE POLYTECHNIQUE D’ANTANANARIVO

DEPARTEMENT MINES

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MEMOIRE DE FIN D’ETUDES POUR L’OBTENTION DU

DIPLOME D’ETUDES APPROFONDIES (DEA)

Option : Génie Minéral

ETUDE DU BASSIN VERSANT DE LA LOKOHO

PAR APPROCHE HEC-HMS/RAS ET WEAP

Présenté par

RATSIMBASON Tiana

Devant la commission d’examen :

Président : Monsieur RANAIVOSON Léon Félix, Maître de Conférences

Encadreur : Monsieur RAZAFINDRAKOTO Boni Gauthier, Maître de Conférences

Examinateurs : Monsieur RASOLOMANANA Eddy Harilala, Professeur Titulaire

Monsieur RALAIMARO Joseph, Maître de Conférences

Le 26 décembre 2016

Promotion 2011 – 2012 REMERCIEMENTS

Sans l’assistance de plusieurs personnes, la réalisation de ce mémoire aurait été tout simplement impossible. Je tiens donc à exprimer mes profonds remerciements à :

Monsieur, ANDRIANAHARISON Yvon, Directeur de l’Ecole Supérieure Polytechnique d’Antananarivo, qui a accepté de m’accueillir dans cette formation;

Monsieur RANAIVOSON Léon Félix, Maître de Conférences et Responsable de la Mention Ingénierie Minière de l’Ecole Supérieure Polytechnique d’Antananarivo, qui m’a fait l’honneur de présider le Jury de ce mémoire;

Monsieur RASOLOMANANA Eddy Harilala, Professeur Titulaire et Responsable de la formation en Génie Minéral à l’Ecole Supérieure Polytechnique d’Antananarivo, qui a bien voulu examiner ce modeste travail et ce, malgré ses lourdes responsabilités;

Monsieur RAZAFINDRAKOTO Boni Gauthier, Maître de Conférences à l’Ecole Supérieure Polytechnique d’Antananarivo, dont les conseils qu’il m’a prodigués ainsi que la patience et la confiance qu’il m’a témoignées ont été déterminants dans la réalisation de ce travail;

Monsieur RALAIMARO Joseph, Enseignant-Chercheur à l’Ecole Supérieure Polytechnique d’Antananarivo, pour ses directives qui m’ont beaucoup aidé dans la réalisation de ce mémoire.

Je tiens à exprimer mes sincères remerciements à tous les professeurs et à tout le personnel de l’Ecole Supérieure Polytechnique d’Antananarivo.

Je voudrais adresser ma reconnaissance à tous ceux qui, de près ou de loin, ont contribué à la réalisation de ce travail de recherche.

Enfin, merci à toute ma famille et mes amis qui, par leurs prières et leurs encouragements, m’ont aidé à surmonter bien des obstacles. Sommaire

SOMMAIRE

Liste des tableaux

Liste des figures

Liste des acronymes

INTRODUCTION

Chapitre I: Présentation de la zone d’étude

Chapitre II: HEC-HMS, HEC-RAS et WEAP

Chapitre III: Données utilisées

Chapitre IV: Modélisation

CONCLUSION

Bibliographie

Annexe

Table des matières

Liste des tableaux

LISTE DES TABLEAUX

Tableau 1 : Culture riz, vanille et café ...... 3 Tableau 2 : Données pluviométriques en mm (1960 à 1976) ...... 28 Tableau 3 : Débits mensuels de la Lokoho ...... 29 Tableau 4 : Liste des jaugeages à Andohariana (Lokoho) ...... 29 Tableau 5 : Liste des jaugeages à Ambodihasina (rivière Andramonta) ...... 30 Tableau 6 : Liste des jaugeages à Ampontsilahy (rivière Ankaibe) ...... 30 Tableau 7 : Liste des jaugeages à Ambavala (rivière Kobahina) ...... 31 Tableau 8 : Liste des jaugeages a Miadampoana (rivière Ambolokopatrika) ...... 32 Tableau 9 : Evapotranspiration ...... 32 Tableau 10 : Répartition de la population dans les Communes d’Andapa ...... 33 Tableau 11 : Infrastructures hôtelières ...... 34 Tableau 12 : Surfaces cultivées et cultivables ...... 35 Tableau 13 : Estimation des besoins en eau des cultures vivrières ...... 35 Tableau 14 : Surfaces occupées par les cultures de rente a Andapa ...... 35 Tableau 15 : Effectif des cheptels ...... 36 Tableau 16 : Besoin en eau théorique par type d’élevage ...... 36 Tableau 17 : HEC-HMS : Résultats de la simulation ...... 43 Tableau 18 : HEC-HMS : Valeurs de débits calculés (extrait) ...... 43

Liste des figures

LISTE DES FIGURES

Figure 1 : Localisation de la SAVA ...... 2 Figure 2 : Délimitation de la Cuvette Andapa ...... 4 Figure 3 : Variations des températures mensuelles ...... 5 Figure 4 : Valeurs moyennes des précipitations ...... 6 Figure 5 : Cours d’eau principaux d’Andapa ...... 7 Figure 6 : Principaux affluents de la Lokoho ...... 8 Figure 7 : Géologie d’Andapa ...... 9 Figure 8 : Hypsométrie d’Andapa ...... 10 Figure 9: Couverture végétale de la SAVA ...... 13 Figure 10 : Principe de modélisation par HEC-HMS ...... 15 Figure 11 : Principe de modélisation par HEC-RAS ...... 17 Figure 12 : Principe de modélisation par WEAP ...... 21 Figure 13 : Bassin versant de la Lokoho ...... 24 Figure 14 : Courbes de niveau du bassin versant ...... 25 Figure 15 : Courbe hypsométrique ...... 26 Figure 16 : Couverture végétale du bassin versant ...... 27 Figure 17 : Prétraitement avant l’exportation vers HEC-HMS ...... 38 Figure 18 : Jaugeages à Andohariana (Lokoho) ...... 40 Figure 19 : Hydrogrammes HEC-HMS : Lokoho ...... 40 Figure 20 : Hydrogrammes HEC-HMS : Andramonta ...... 41 Figure 21 : Hydrogrammes HEC-HMS : Ambolokopatrika ...... 41 Figure 22 : Hydrogrammes HEC-HMS : Kobahina ...... 42 Figure 23 : Hydrogrammes HEC-HMS : Ankaibe ...... 42 Figure 24 : Hydrogrammes HEC-HMS : Sous-bassin de la Lokoho ...... 44 Figure 25 : Traçage des sections, berges et cours d’eau basé sur un fond de carte...... 45 Figure 26 : Prétraitement avant l’exportation vers HEC-RAS ...... 46 Figure 27 : Géométrie dans HEC-RAS ...... 47 Figure 28 : Courbe d’étalonnage établie par L.FERRY ...... 48 Figure 29 : Vue en perspective de la simulation ...... 49 Figure 30 : Vue en profil de la Lokoho ...... 50 Figure 31 : HEC-RAS coupe, station n°14364.78 au niveau d’Andohariana ...... 50

Liste des figures

Figure 32 : HEC-RAS courbe des débits, station n°14364.78 au niveau d’Andohariana .. 51 Figure 33 : Résultats station Andohariana ...... 51

Figure 34 : Ampleur des inondations avec Q100 ...... 52 Figure 35 : Interface WEAP ...... 55 Figure 36 : Demande en eau ...... 55 Figure 37 : Demande en eau, sans agriculture ...... 56 Figure 38 : Recouvrement, scénario référence ...... 56 Figure 39 : Précipitations, scénarios référence et déforestation ...... 57 Figure 40 : Humidité des sols, comparaison avec référence ...... 57 Figure 41 : Recouvrement, scénario déforestation ...... 58 Figure 42 : Demandes non-satisfaites en électricité, scénario électricité ...... 59 Figure 43 : Recharge de la nappe souterraine ...... 60 Figure 44 : Ruissellement, comparaison avec référence ...... 60 Figure 45 : Recouvrement, scenario déforestation + électrification ...... 61

Liste des acronymes

LISTE DES ACRONYMES

ANGAP : Association Nationale pour la Gestion des Aires Protégées

CNRE : Centre de Recherche sur l'Environnement

ESRI : Environmental Research Systems Inc.

FTM : Foiben-Taosarintanin'i Madagasikara

GTZ : Gesellschaft für Technische Zusammenarbeit

HEC-HMS : Hydrologic Engineering Center’s Hydrologic Modeling System

HEC-RAS : Hydrologic Engineering Center’s River Analysis System

IPCC : International Panel on Climate Change

JIRAMA : JIro sy RAno Malagasy

MNT : Modèle Numérique de Terrain

ORSTOM : Office de Recherche Scientifique et Technique Outre-Mer

SAVA : Sambava – Andapa - Vohemar - Antalaha

SEI : Stockholm Environmental Institute

SOAMA : Société Andapa MAmokatra

WEAP : Water Evaluation And Planning System

INTRODUCTION

INTRODUCTION

La Région de la SAVA est célèbre de par le monde par sa vanille et son café. Par ailleurs, sa richesse écologique inouïe en a fait depuis un haut lieu du tourisme. Des activités humaines, quoique nécessaires pour le développement économique d’une Région, résultent inéluctablement des déséquilibres du milieu naturel.

Force est de constater l’importance des ressources en eau et leur influence sur les divers secteurs d’activités ainsi que sur le mode de vie de la population.

Ainsi une meilleure connaissance des comportements hydrauliques contribuerait grandement à la préservation des attraits de cette Région et à l’amélioration des conditions de vie de ses habitants. Les modèles de bassin versant peuvent jouer un rôle important dans la planification régionale. Leur capacité de considérer de grandes Régions, diverses en espace, et d’évaluer l'impact de scénarios d'utilisation de différentes terres sur des ressources en eau peut mener à des prises de décisions meilleures et plus informées.

Cela permettrait de définir la meilleure stratégie afin de préserver ce milieu exceptionnel, et de mieux gérer les ressources en eau afin de développer efficacement les différents secteurs d’activités.

Une investigation exhaustive de l’intégralité de la Région étant fastidieuse, cette étude se limitera au district d’Andapa et portera principalement sur le bassin versant de la Lokoho. La modélisation par HEC-HMS épaulée par HEC-RAS dans un premier temps puis par WEAP s’est imposée d’elle-même au vu des qualités intrinsèques de ces logiciels ainsi que des données disponibles.

Cette étude permettrait d’appréhender d’une manière plus efficace la potentialité de la Cuvette d’Andapa et de définir une politique de développement plus appropriée. A cet effet, cet ouvrage comporte quatre chapitres présentant successivement la zone d’étude, les logiciels mis en œuvre et les données utilisées ainsi que la modélisation du bassin versant.

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Présentation de la zone d’étude

Chapitre I: PRESENTATION DE LA ZONE D’ETUDE

La modélisation du bassin versant requiert avant tout la connaissance du contexte de la zone d’étude. Ce chapitre abordera en particulier le contexte géologique, hydrologique, climatique et environnemental de la Région.

I.1.A PROPOS DE LA REGION SAVA

La SAVA est une Région du Nord-Est de Madagascar. Elle doit son nom aux initiales de ses quatre principales villes : Sambava, Antalaha, Vohemar et Andapa.

Figure 1 : Localisation de la SAVA

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Présentation de la zone d’étude

La vanille qu’on y récolte est de renommée mondiale.

C’est l’une des Régions les plus vertes de Madagascar. L’écotourisme et le trekking y sont devenus depuis un moteur du secteur économique local.

Sambava se distingue par son importante plantation de cocotiers. Antalaha, ancien village de pêcheurs est célèbre par ses boutres. Vohemar, ancienne cité islamique, peut se vanter de son cheptel de zébus. Enfin, Andapa est le grenier à riz de la SAVA.

Le tableau ci-après retrace l’évolution des principales cultures dans la Région de la SAVA :

Tableau 1 : Culture riz, vanille et café pourcentage des ménages pourcentage des superficies Cultures 1975 1997 1975 1997 Riz 85,2 93,3 45,8 57,5 Vanille 65,7 31,5 18,9 7,3 Café 77,9 59,7 25,3 13,5 Source: Rapport Banque Mondiale. 1997, enquête par sondage, Département Géographie, Faculté des Lettres, Université d’Antananarivo

I.2.DELIMITATION DE LA ZONE D’ETUDE

Une des particularités du District d’Andapa est qu’il se trouve à l’intérieur des terres alors que ses homologues possèdent tous des littoraux sur l’Océan Indien.

Outre la Commune Urbaine d’Andapa, on dénombre en tout dix-sept Communes Rurales: Ambalamananasy II, Ambodiangezoka, Ambodimanga I, Andrakata, Andranomena, Anjialavabe, Ankiakabe Nord, Anoviara, Antsahamena, Bealampona, Belaoko – Marovato, Betsakotsako Andranotsara, Doany, Marovato, Matsohely, Tanandava et Belaoko - Lokoho.

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Présentation de la zone d’étude

Figure 2 : Délimitation de la Cuvette Andapa

Le bassin versant de la Lokoho se rapporte à la Cuvette d’Andapa. La plaine alluviale est délimitée par une ligne de crête perchée à plus de 1000 mètres d’altitude. Ainsi, on trouve le massif d’Anjanaharibe au Sud, la chaîne des Marojejy au Nord-est et le corridor de Betaolana à l’Ouest.

I.3.CONTEXTE CLIMATIQUE

Un climat chaud et très humide caractérise le bassin versant de la Lokoho. Les précipitations sont particulièrement abondantes en altitude. Même si les saisons semblent peu contrastées, on distingue la saison chaude entre novembre et avril, la saison fraîche entre mai et octobre. La saison chaude est soumise au régime de la mousson tandis que la saison fraîche à celui de l’alizé, ainsi le régime des vents aide à discerner les différentes périodes de l’année.

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Présentation de la zone d’étude

Dans la Région règne un micro climat, il fait relativement frais. La nébulosité importante, le relief ainsi que les forêts ombrophiles denses favorisent une importante humidité atmosphérique. A basse altitude (au niveau de la station météorologique), la température moyenne est de 18,8°C en juillet et de 26,9°C en janvier. Sur les hauteurs, on relève des valeurs plus faibles, inférieures à 1,5°C sur les sommets du Marojejy.

30

25

20

15 températures maximales températures minimales 10

5

0

Figure 3 : Variations des températures mensuelles

La zone est humide toute l’année, bien que les précipitations s’amenuisent durant les mois de septembre et octobre. Les pluies orageuses (novembre à décembre) et les pluies cycloniques (janvier à mars) se succèdent pendant la saison chaude. Des pluies plus fines arrosent la Région le reste de l’année, la présence de l’anticyclone des Mascareignes rend le ciel plus dégagé en cette période. La pluviométrie annuelle varie de 1800 mm à 2000 mm, avec pas moins de 270 jours de pluie.

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Présentation de la zone d’étude

Figure 4 : Valeurs moyennes des précipitations

Cependant, on constate une variation conséquente de ces valeurs avec l’altitude.

Selon la classification de Köppen-Geiger, le climat est de type « Af », c’est-à-dire un climat humide avec des précipitations tous les mois de l'année (climat de la forêt tropicale).

I.4.CONTEXTE HYDROLOGIQUE

De nombreux petits cours d’eau issus de sources rhéocrènes dévalent des hauteurs. Ils sont caractérisés par leurs méandres encaissés et les blocs de roches qu’ils charrient dans leurs lits. Les crues sont fréquentes et causent fréquemment l’ensablement des rizières.

Trois rivières majeures coulent dans le district d’Andapa dont la Lokoho, l’Andampy et l’Androranga.

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Présentation de la zone d’étude

Figure 5 : Cours d’eau principaux d’Andapa

La plaine alluviale d’Andapa fera l’objet de l’étude. Une particulière attention sera portée sur la Lokoho qui en est le principal cours d’eau et dont les principaux affluents sont:

 Ankaibe, principal tributaire de la Lokoho,  Andramonta,  Ambolokopatrika,  Kobahina.

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Présentation de la zone d’étude

Figure 6 : Principaux affluents de la Lokoho

I.5.CONTEXTE GEOLOGIQUE [4]

Un socle métamorphique prédomine dans la zone, daté du précambrien suite à une étude comparative des formations avoisinantes, entre autres celles d’Afrique et de l’Inde.

Ainsi on retrouve le gneiss un peu partout dans le bassin versant. On note des affleurements dispersés de quartzite d’âge dévonien. Du granite d’anatexie apparaît discrètement dans la chaîne d’Anjanaharibe.

Des batholites, tantôt à faciès malgachitique dans le massif du Marojejy, tantôt à faciès porphyroïde dans massif d’Anjanaharibe-Sud constituent la majeure partie des masses montagneuses. Des coulées de basalte à olivine datant du quartenaire sont visibles au niveau du massif volcanique de l'Ankasimbelo dans la partie Sud du bassin versant.

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Présentation de la zone d’étude

Des dépôts limono-argilo-sableux sont retrouvés dans les vallées. Le réseau hydrographique très dense et les crues fréquentes, en particulier celles de l’Ambolokopatrika et de l’Andramonta, sont à l’origine de l’abondance de sable et d'argile dans les zones basses. Les grains de sable sont plus ou moins grossiers et l’argile est riche en oxyde de fer.

Des sols ferralitiques beiges, jaunes ou rouges à phase humifère surplombent les zones alluviales argileuses. Leur épaisseur décroît à mesure qu’on monte en altitude. Sur les hauteurs, on retrouve soit des rankosols, soit des lithosols sur les pentes soumises continuellement à l’érosion.

Donc, on y trouve principalement des roches métamorphiques du socle ancien, des roches issues d’un volcanisme récent et des alluvions.

Figure 7 : Géologie d’Andapa

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Présentation de la zone d’étude

I.6.CONTEXTE GEOMORPHOLOGIQUE

Deux unités géomorphologiques au contraste frappant caractérisent les bassins versants : une vaste plaine et des massifs montagneux à versants abrupts les entourant.

Les fortes pentes de l’ordre de 30° contribuent à donner à ce bassin versant la forme d’une cuvette aux bords très relevés. L’altitude des sommets fluctue entre 1200 et 2000 mètres.

Concernant la Cuvette d’Andapa, la plaine centrale se trouve à une altitude de 460 à 500 mètres. Elle mesure environ 47 kilomètres suivant la direction Nord-Sud contre 30 kilomètres suivant l’axe Est-Ouest.

Figure 8 : Hypsométrie d’Andapa

Les phénomènes d’érosion contribuent à façonner le paysage. Des glissements de terrains sont visibles sur les versants. Dans la partie méridionale, des ravinements ainsi que des

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Présentation de la zone d’étude

« lavaka » sont observables du côté de Befingotra, d’Andapakova, d’Ampotsilahy et d’Ampanaomby. La pratique du « tavy » ainsi que l’extraction minière sont surtout à leur origine. Mais, dans l’ensemble, le bon taux de couverture végétale réduit considérablement l'érosion des sols. En particulier, les terrains occupés par les aires protégées sont très bien conservés.

De leur côté, les crues importantes ainsi que le changement de lit des cours d’eau favorisent l’ensablement. Les berges des rivières sont souvent très érodées.

I.7.AIRES PROTEGEES ET COUVERTURE VEGETALE

Les deux aires protégées de la Cuvette d'Andapa sont gérées par l’ANGAP (Association Nationale pour la Gestion des Aires Protégées) depuis 2005. Elles constituent un centre de biodiversité d’exception et abritent plusieurs espèces endémiques de lémuriens, de reptiles et d’amphibiens [7] :

 le Parc National de Marojejy [3]

Il s’étend environ sur 60 000 hectares et son centre se situe approximativement à 14°26' S 49°15' E. Classé Ancienne Réserve Naturelle Intégrale en 1952, il accède au statut de Parc National à partir de 1998. De fortes pluies caractérisent ce site, avec des valeurs annuelles dépassant souvent la barre des 3000 millimètres. Le relief est assez accentué, le parc commence à 75 mètres d’altitude pour culminer à 2133 mètres. Plusieurs torrents de montagne y prennent ainsi source.

 la Réserve Spéciale d'Anjanaharibe-Sud [3]

Elle couvre approximativement une superficie d’environ 32 000 hectares. Sa végétation est similaire à celle du Parc National de Marojejy, c’est-à-dire une forêt dense et humide à basse altitude et un fourré montagnard sur les hauteurs. Créée en 1958, la Réserve Spéciale d'Anjanaharibe-Sud est localisée à 14,42° S 49,26° E et s’étale entre 500 et 2 064m d'altitude. Le Takhtajania Perrieri a fait la réputation de cette réserve naturelle, cet épiphyte découvert en 1997 aurait connu l’ère des dinosaures.

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Présentation de la zone d’étude

Deux autres étendues forestières font par ailleurs partie du programme de conservation et d'exploitation rationnelle des forêts autour de la Cuvette d'Andapa:

 le couloir forestier de Betaolana [3]

Se trouvant entre le Parc National de Marojejy et la Réserve Spéciale Naturelle d’Anjanaharibe-Sud, ce massif forestier s’étendant sur près de 17 000 hectares est ouvert à l’exploitation qui fait toutefois l’objet d’une réglementation stricte.

 le site de conservation de Makira [3]

Il fait office de liaison entre la réserve spéciale d'Anjanaharibe-Sud au Parc National de Masoala. Ce site empiète sur trois ex-Provinces de Madagascar et est l’une des plus grandes étendues de forêts tropicales humides au niveau national avec sa superficie totale de 385 000 hectares. C’est l'un des sites pionniers à participer au marché des crédits de carbone piégé dans les forêts naturelles.

Cependant, des actes de braconnage et de défrichement sont régulièrement recensés. Par ailleurs, l’extraction sauvage d’améthyste, d’or ou de béryl affecte les aires protégées.

Si la forêt dense a colonisé les hauteurs, la végétation primaire cède la place en aval aux formations végétales secondaires dénommées « savoka », principalement constituées de bambous, de fougères et de plantes ligneuses.

Par ailleurs, la culture itinérante sur brûlis ou « tavy » sur les pentes forestières ne cesse de prendre de l’ampleur. Les cultures temporaires telles que le riz pluvial sont surtout pratiquées sur les surfaces nouvellement défrichées. La plaine est surtout aménagée en rizières.

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Présentation de la zone d’étude

Figure 9: Couverture végétale de la SAVA

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HEC-HMS, HEC-RAS et WEAP

Chapitre II: HEC-HMS, HEC-RAS ET WEAP

Les logiciels HEC-HMS et HEC-RAS seront utilisés en premier lieu dans le cadre de cette étude. Ils permettent de caractériser rapidement le comportement hydrologique du bassin versant. Dans un second lieu, WEAP sera mis en œuvre afin de mieux comprendre l’utilisation des ressources en eau dans la zone d’étude et d’estimer les besoins futurs.

Ces outils peuvent contribuer judicieusement à la prévention des catastrophes et à la gestion de la crise tout en permettant d’accroître le retour d’expérience.

II.1.HEC-HMS

II.1.1.PRESENTATION

Développé initialement pour le corps des ingénieurs de l'armée américaine (U.S. Army Corps of Engineers), ce logiciel est également mis à disposition du public et peut être téléchargé gratuitement sur le site internet du centre d'ingénierie hydrologique (http://www.hec.usace.army.mil/software/hec-hms). HEC-HMS peut être combiné avec ArcMap grâce à l’application intégrée HEC-GeoHMS. Celle-ci sert principalement à élaborer les modèles en vue d’une simulation ultérieure.

HEC-HMS (Hydrologic Engineering Center’s Hydrologic Modeling System) est surtout très employé pour la modélisation du processus précipitation-ruissellement dans un bassin versant.

II.1.2.EXEMPLES D’APPLICATION

Outre la simulation du processus hydrologique des réseaux dendritiques, HEC-HMS facilite :

 l’évaluation de la lame d’eau,  la prévision du flux.

Combiné à d’autres logiciels, il permet aussi entre autres :

 l’étude de la disponibilité des ressources en eau,  l’évaluation du drainage dans le domaine de l’urbanisme ou de l’agriculture,  l’estimation des risques d’inondation.

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HEC-HMS, HEC-RAS et WEAP

II.1.3.METHODOLOGIE HEC-HMS

La modélisation à l’aide du logiciel HEC-HMS passe par les étapes successives suivantes :

 la création d’un modèle de bassin,

 la création d’un modèle météorologique,

 les spécifications de contrôle,

 la visualisation des résultats et le calage.

modèle visualisation des météorologique: résultats et modèle de calage: bassin: •précipitations •évapotranspiration spécifications de •configuration de la •sous-bassins •ensoleillement / contrôle: simulation •biefs insolation •calcul pour chaque •réservoirs •dates début / fin •... de la simulation configuration •jonctions •heures début / fin •calage •puits de la simulation •... •pas de temps •...

Figure 10 : Principe de modélisation par HEC-HMS

a.CREATION D’UN MODELE DE BASSIN

A la création d’un nouveau projet, il est demandé à l’utilisateur de placer les composantes hydrologiques du bassin : sous-bassins, biefs, réservoirs, jonctions, puits et sources.

Il faut alors procéder à leur interconnexion.

Ensuite, les données sur chaque élément sont introduites tout en spécifiant la méthode de simulation le cas échéant.

b.CREATION D’UN MODELE METEOROLOGIQUE

Cette étape consiste surtout à spécifier les modèles de précipitations et d’évapotranspiration.

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HEC-HMS, HEC-RAS et WEAP

Plusieurs modèles météorologiques peuvent être créés et il est toujours demandé à quels sous-bassins se rapporte chaque modèle.

c.SPECIFICATIONS DE CONTROLE

Les dates de début et de fin de la simulation sont définies. Le pas de temps de calcul est aussi exigé (1 minute à 24 heures).

d.VISUALISATION DES RESULTATS ET CALAGE

Il est essentiel de configurer au moins une simulation. Pour cela, on définit le ratio (précipitations, ruissellement), les sources et/ou les sous-bassins pris en compte et surtout l’état initial du bassin.

Le calage consiste à reproduire le plus fidèlement possible les débits réellement observés grâce à des simulations basées sur les relevés de précipitations. Cela permet de valider les futurs résultats. La fonction « optimisation » permet de mieux caler le modèle.

II.2.HEC-RAS

II.2.1.PRESENTATION

Egalement développé pour le corps des ingénieurs de l'armée américaine (U.S. Army Corps of Engineers), HEC-RAS fait partie de la suite de logiciels téléchargeables sur le site internet du centre d'ingénierie hydrologique (http://www.hec.usace.army.mil/software/hec- ras). Comme son homologue HEC-HMS, HEC-RAS jouit d’une intégration dans ArcMap grâce à l’application HEC-GeoRAS. Bien que l’utilisation de cette intégration dans ArcMap soit facultative, elle facilite l’élaboration ultérieure du modèle dans l’interface de HEC-RAS.

HEC-RAS (Hydrologic Engineering Center’s River Analysis System) permet d'évaluer les débits et hauteurs d'eau au niveau des sections d’un cours d’eau. Ce logiciel est conçu pour la simulation de l'écoulement des rivières et des canaux.

II.2.2.EXEMPLES D’APPLICATION

Outre la simulation de l’écoulement dans un cours d’eau, HEC-RAS facilite :

 le comportement des ouvrages hydrauliques,

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HEC-HMS, HEC-RAS et WEAP

 la simulation des écoulements et des plaines d’inondation,  l’évaluation de l'érosion et du transport des sédiments.

Combiné à d’autres logiciels, il permet aussi entre autres :

 la gestion des réservoirs et des barrages,  la détermination de l'impact de l'urbanisation future,  la conception des déversoirs de réservoirs,  l’estimation des risques d’inondation.

II.2.3.METHODOLOGIE HEC-RAS

On compte quatre étapes en vue de créer un modèle sous HEC-RAS:

 la création ou l’importation des données géométriques du cours d’eau,

 l’enregistrement des données sur l’écoulement,

 la configuration des paramètres de calculs,

 la visualisation des résultats.

données sur le visualisation des flux: résultats: données géométriques: •laminaire •sections •turbulent paramètres de •vue en 3D •bief •débits calcul: •profils •sections •sédiments •modes de calcul •... •jonctions •... •hypothèses •ouvrages •conditions aux •coefficients de limites Manning •... •...

Figure 11 : Principe de modélisation par HEC-RAS

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HEC-HMS, HEC-RAS et WEAP

a.CREATION GEOMETRIQUE

Si le cours d’eau a déjà été conditionné dans ArcGis, il suffit d’importer les données géométriques dans HEC-RAS. Cela requiert l’intégration préalable du module HEC-GeoRAS dans ArcMap.

Sinon, il faut tracer le cours d’eau grâce à fonctionnalité d’édition du logiciel. Les sections transversales doivent être définies une à une. Les ouvrages hydrauliques tels que les barrages, ponts ou digues sont à placer. Les valeurs des coefficients de Manning sont aussi demandées pour les différentes parties du bief.

En particulier, des zones peuvent êtres délimitées selon leurs propriétés hydrauliques. L’interface du logiciel met une palette assez fournie à la disposition de l’utilisateur afin de mieux représenter la zone d’étude.

b.CARACTERISATION DE L’ECOULEMENT

Le logiciel offre la possibilité d’étudier soit un écoulement laminaire soit un écoulement turbulent. Les données à introduire peuvent différer vu que le mode de traitement n’est pas le même. Les conditions aux limites doivent être aussi fournies.

HEC-RAS propose aussi de modéliser le charriage et la suspension des sédiments ainsi que l’étude la qualité de l’eau.

c.CONFIGURATION DU MODE DE CALCUL

Un mode de calcul doit être défini avant de passer à la simulation. Selon les exigences de l’étude hydraulique, plusieurs « plans » de calcul peuvent être conçus afin de permettre différentes combinaisons de géométries et de débits.

d.VISUALISATION DES RESULTATS

Au terme de la simulation, les résultats sont disponibles sous plusieurs formes : profil du tronçon, représentation de chaque section transversale, vue en trois dimensions du cours d’eau et résultats sous forme de tableau.

Il est nécessaire de consulter le journal des erreurs à la fin de chaque simulation.

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HEC-HMS, HEC-RAS et WEAP

II.3.WEAP

Bien que n’étant plus à présenter, WEAP dispose de plusieurs atouts et un bref rappel de ses capacités n’est jamais superflu.

II.3.1.PRESENTATION

WEAP (Water Evaluation And Planning System) est un programme informatique axé sur la planification intégrée des ressources en eau. En fournissant une interface intuitive, fonctionnelle et flexible, WEAP est de plus en plus plébiscité par les professionnels de l'eau.

Ce logiciel a été développé par le Stockholm Environmental Institute.

La grande flexibilité du logiciel permet à l'utilisateur d'adapter le modèle pour de nombreux types d’analyses. Selon la disponibilité des données ou des objectifs analytiques, les différentes caractéristiques des ressources en eau peuvent être combinées ou prises séparément.

II.3.2.ANALYSES DE SCENARIOS

En basant sur l’analyse de différents scénarios, ce logiciel permet de simuler plusieurs situations à partir des modèles. Ainsi, le fait d’explorer divers scénarios apporte des réponses pertinentes aux interrogations sur des cas hypothétiques, qui peuvent s’avérer autant innombrables que variés :

 augmentation de la population et changement des modèles de développement économique,

 changement des règles de fonctionnement du réservoir,

 surexploitation de la nappe phréatique,

 considération de la conservation de l'eau ou d’un programme de recyclage d'eau,

 restriction des conditions de l'écosystème,

 établissement d’un programme d'utilisation conjonctive pour stocker l'excès d'eau de surface dans les aquifères souterraines,

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HEC-HMS, HEC-RAS et WEAP

 mise en œuvre d’une technique d'irrigation plus efficace,

 changement du mixage des cultures agricoles,

 impact du changement climatique,

 effet de la pollution en amont sur la qualité de l'eau en aval,

 conséquences des changements d'utilisation de la terre sur le ruissellement.

II.3.3.EXEMPLES D’APPLICATION Le domaine d’application de ce programme est vaste, grâce surtout à sa grande flexibilité. La liste suivante n’est pas exhaustive mais elle offre un aperçu de ses capacités:

 analyse sectorielle de la demande,

 conservation de l'eau,

 priorités d'affectation des ressources,

 simulations des eaux souterraines et débits,

 étude des réservoirs,

 production d'énergie hydroélectrique,

 suivi de la pollution,

 exigences de l'écosystème.

II.3.4.METHODOLOGIE

En général, le procédé de modélisation à l’aide du logiciel WEAP compte les étapes successives suivantes :

 la définition de l'étude,

 les comptes actuels,

 les scénarios,

 l'évaluation.

20

HEC-HMS, HEC-RAS et WEAP

comptes actuels: définition de •demandes l'étude: •caractéristiques du évaluation: réservoir scénarios: •limites spatiales •suffisance de •cours d'eau •activité •horizon d'étude l'eau •pollution économique, •composantes du •exigences de •traitement des démographie système l'écosystème eaux •mode d'utilisation •configuration •pertinence de •ressources et de l'eau, pollution du réseau l'analyse approvisionnement •infrastructure hydrographique •... •... •politique •... environnementale •coûts •...

Figure 12 : Principe de modélisation par WEAP

a.DEFINITION DE L’ETUDE

La première étape consiste en premier lieu à fixer les limites spatiales de l’étude.

Selon la disponibilité des données, le choix de l’année à modéliser est alors fixé. Ensuite sont introduits les pas de temps et les unités. En général, on opte pour douze pas de temps par année, en se basant sur des années calendaires commençant par le mois de janvier.

b.COMPTES ACTUELS

Cette étape peut être assimilée à la calibration du modèle.

L’ « état actuel » renseigne sur la demande actuelle en eau, les charges de pollution, les ressources et les approvisionnements pour le système. Les hypothèses de base sont donc fixées lors de cette étape de calage afin de représenter les facteurs pouvant influencer le développement du modèle.

c.SCENARIOS

Selon les exigences de l’étude, on est amené à considérer un nombre d'hypothèses alternatives sur la base de l’ « état actuel ».

Le logiciel WEAP permet entre autres à l’utilisateur de comparer instantanément différentes variantes de modèles suivant les hypothèses.

21

HEC-HMS, HEC-RAS et WEAP

Ainsi on peut appréhender indépendamment les impacts futurs des politiques, les coûts et le climat, par exemple sur la demande d'eau, l'offre, l'hydrologie ou la pollution.

d.EVALUATION

C’est l’élément qui démontre toute l’utilité du logiciel WEAP par le fait que divers scénarios peuvent être analysés alternativement.

Suivant la suffisance de ressources en eau, les coûts et les bénéfices, la compatibilité avec les objectifs environnementaux et la sensibilité à l'incertitude des variables clés, les différents scénarios sont alors évalués en parallèle et les contrastes rapidement appréhendés.

II.3.5.INTERFACE

En travaillant sur WEAP, l’utilisateur peut basculer entre différents menus :

Schématique : configuration et localisation de l’étude avec les outils SIG, ajout des vecteurs et fichiers Raster comme couches de fond, accès rapide aux données et résultats de tout élément dans le système.

Données : création des variables et des relations, insertion des hypothèses et projections en utilisant des expressions mathématiques, importation/exportation de données.

Résultats : présentation détaillée et flexible de tous les modèles d'affichage sous forme de graphes, tableaux ou sur la carte, vue des résultats à travers le temps.

Explorateur de Scénarios : conception d’un groupe de graphes sommaires pour ressortir les indicateurs clés du système pour une révision rapide et constater comment le changement des données peut affecter les résultats.

Notes : zone de texte afin de documenter les données et les hypothèses, zone de commentaires.

22

Données utilisées

Chapitre III: DONNEES UTILISEES

La préparation des données constitue une étape essentielle pour toute modélisation avec ces logiciels. Le maximum de données est requis afin d’obtenir des résultats fiables. Celles-ci peuvent être regroupées en quatre groupes :

 données physiques (dimensions du bassin, topographie, occupation du sol, …),

 données climatiques (température, précipitations, évaporation, …),

 données hydrologiques (coefficients d’écoulement, régime des débits, …),

 données sur la qualité de l’eau.

Ces données seront croisées afin de faire apparaître l’évolution de chaque modèle selon les scénarios. Il est à noter que HEC-HMS et HEC-RAS exigent relativement peu de données.

III.1.CARACTERISATION DU BASSIN VERSANT

La création du modèle conceptuel de données a été basée sur la BD500 conçue par la FTM (Foiben-Taosarintanin'i Madagasikara).

Une image satellite de la zone d’étude a aussi été exploitée, en l’occurrence un modèle numérique de terrain (MNT). C’est une représentation numérique du relief et elle fournit les valeurs d'altitude du sol nu de la zone d’étude.

Le logiciel ArcGis permet de calculer la superficie du bassin versant, notamment grâce à la fonction Calculate Areas. On trouve une valeur de 1 207 313 883,556 m² ≈ 1 207 km2 dans le cas présent.

Le périmètre du bassin est de 245,858 km.

23

Données utilisées

Figure 13 : Bassin versant de la Lokoho

L'indice souvent utilisé pour caractériser la forme d'un bassin versant est l'indice de compacité de Gravelius qui est le rapport du périmètre du bassin à celui d'un cercle de même surface. Le coefficient Kc est d'autant plus proche de 1 que le bassin est compact.

Cette méthode est certes empirique, mais permet de se faire une idée des caractéristiques du bassin.

(1)

√ √ avec : A : surface du bassin P : périmètre du bassin

24

Données utilisées

On trouve ainsi une valeur de 1,98 comme indice de compacité. Le bassin se rapproche alors de la forme d’éventail, ce qui raccourcit le temps d’acheminement de l’eau à l’exutoire et entraîne un plus fort débit de pointe.

Cela explique en partie le débit spécifique décennal de près de 1900 l/s/km2.

Figure 14 : Courbes de niveau du bassin versant

Les courbes de niveau assez rapprochées aux limites du bassin dénotent des pentes abruptes sur les bords, particulièrement au Nord et Nord-Ouest. Ce que confirme la courbe hypsométrique caractéristique ci-après.

25

Données utilisées

Figure 15 : Courbe hypsométrique

III.2.CARACTERISTIQUES DE L’AQUIFERE

Il est possible qu’il n’y ait pas d’échange entre l’aquifère et les eaux de surface. Sinon les cours d’eaux peuvent soit drainer la nappe, soit l’alimenter. Cependant ces phénomènes peuvent varier selon les conditions hydrologiques ou hydrogéologiques.

Par ailleurs, plusieurs couches aquifères superposées peuvent aussi interagir. Dans le cas du bassin de la Lokoho, l’aquifère est constitué par une formation gréso-argilo-sableuse à sable fin à moyen et de grès quartzite avec altération de migmatite.

Ce qui permet d’avancer que l’aquifère pour ce site est de type multicouche de type sédimentaire reposant sur un socle cristallin. La Cuvette d’Andapa se situe alors dans une zone de socle sous couvert de formation sédimentaire récente épaisse.

Comme le climat est de nature humide, le drainage des réserves accumulées dans le sol devrait être assez limité.

III.3.COUVERTURE VEGETALE

Les végétations forestières denses colonisent les versants. Quand les pentes se font moins abruptes, la forêt est plus clairsemée et des cultures de café, vanille ou de riz pluvial prennent place.

La plaine est en grande partie aménagée en rizières.

26

Données utilisées

Figure 16 : Couverture végétale du bassin versant

Une analyse sommaire de cette carte montre que la zone est assez verdoyante. La forêt occupe plus de 52% du bassin et sur les surfaces non exploitées par les habitants s’étendent de vastes pâturages.

III.4.DONNEES CLIMATIQUES

Les saisons sont peu contrastées, même si on note l’existence d’une période chaude et d’une autre relativement plus fraîche.

27

Données utilisées

Malgré la présence d’un microclimat, la Région est caractérisée par un climat humide et chaud.

La nébulosité est particulièrement importante, surtout pendant la saison fraîche. L’ensoleillement est ainsi réduit à 1 600 heures par an, soit un peu moins de 4h30 par jour.

La mousson provoque souvent des orages pendant la saison chaude tandis que l’alizé est accompagné de pluies plus régulières de moindre intensité durant le reste de l’année. Ces précipitations génèrent une hauteur d’eau de de l’ordre de 2 mètres par an [1].

L’alternance des années sèches et humides est considérée par WEAP. Ainsi les observations effectuées entre 1960 et 1976 ont permis de dresser le tableau suivant:

Tableau 2 : Données pluviométriques en mm (1960 à 1976) année J F M A M J J A S O N D total

médiane 361 288 268 129 78 79 107 94 43 48 96 238 1807

sèche 297 267 221 107 64 65 88 77 36 40 79 196 1488 très sèche 263 210 196 95 57 58 78 68 32 35 70 174 1320

Source : J. Agrer, bureau d’études

Par ailleurs, les observations ont montré l’apparition de pluies très intenses tous les 5 ans environ.

Malgré un risque cyclonique moyen, les cyclones et les perturbations tropicales ont un fort impact sur le régime hydraulique de la Cuvette d’Andapa. Voici quelques cyclones notables ayant traversé la Région: Hellen, Hudah, Geralda et Gafilo.

Les observations effectuées durant les dernières décennies montrent que la température mensuelle moyenne varie de 18,8°C (juillet) à 26,9°C (janvier), soit une amplitude thermique annuelle de 8°C.

En considérant les modèles de I'IPCC (International Panel on Climate Change), des augmentations de ±2°C de la température moyenne et de ±2mm/jour de la pluviométrie sont attendues d’ici la fin de ce siècle.

28

Données utilisées

III.5.DEBITS MOYENS, DEBITS DE CRUES

Les débits moyens mensuels ont pu être mesurés pendant une année au niveau d’Andohariana, à la sortie de la Cuvette d’Andapa.

Tableau 3 : Débits mensuels de la Lokoho mois N D J F M A M J J A S O moyenne débits 31,3 60,8 129 120 85,6 51,1 36,1 8 29,1 35,1 24,8 22,3 54,2 (m3/s) Source : CNRE

Par ailleurs, des valeurs de débits ponctuels ont pu être recueillies au niveau des stations limnigraphes installées sur les principaux affluents de la Lokoho.

La station limnigraphe d’Andohariana, installée en amont des premières chutes de la Lokoho semble donner des résultats fiables au vu des constatations de l’équipe chargée de la vérification et de l’étalonnage des stations dans la Cuvette d’Andapa en 1991.

Tableau 4 : Liste des jaugeages à Andohariana (Lokoho) n° date cote (cm) débit (m3/s)

1 28/02/1991 à 09H34 79 49 2 28/02/1991 à 15H11 77 46,9 3 06/03/1991 à 09H20 151 153 4 06/03/1991 à 13H00 146 142 5 07/03/1991 à 09H02 125 109 6 07/03/1991 à 13H40 120 105 7 08/03/1991 à 08H40 115 83,7 8 08/03/1991 à 11H10 117 97,2 9 10/03/1991 à 10H15 120 100 Source : CNRE

29

Données utilisées

La station suivante se situe sur la rive gauche de l’Andramonta, dans le village d’Ambodihasina.

Tableau 5 : Liste des jaugeages à Ambodihasina (rivière Andramonta) n° date cote (cm) débit (m3/s)

1 07/02/1991 à 14H50 70 6,54 2 08/02/1991 à 09H39 73 7,26 3 09/02/1991 à 08H15 83 10,2 4 10/02/1991 à 07H58 83 10,4 5 11/02/1991 à 08H15 74 7,37 6 12/02/1991 à 07H13 94 14,8 7 13/02/1991 à 15H00 148 54,6 8 14/02/1991 à 07H50 120 28,8 9 14/02/1991 à 10H00 115 21,8 10 15/02/1991 à 15H35 110 20,7 11 16/02/1991 à 09H15 99 16,3 12 04/03/1991 à 09H52 111 24,6 Source : CNRE

L’Ankaibe traverse le village d’Ampotsilahy avant de se jeter dans la Lokoho. Une station limnigraphe y a également été installée.

Tableau 6 : Liste des jaugeages à Ampontsilahy (rivière Ankaibe) n° date cote (cm) débit (m3/s)

1 18/02/1991 à 14H57 63 31,1 2 19/02/1991 à 15H50 55 25,4 3 20/02/1991 à 07H25 53 23,8 4 21/02/1991 à 08H10 52 23,2 5 22/02/1991 à 07H16 51 22,4 6 23/02/1991 à 08H53 49 21,4 7 24/02/1991 à 08H41 54 24,1 8 25/02/1991 à 09H12 45 19,6 9 26/02/1991 à 16H00 42 16,2 10 27/02/1991 à 05H57 54 24,7 11 05/03/1991 à 09H39 61 28,4 Source : CNRE

30

Données utilisées

La station située dans le village d’Ambavala ne mesure pas tous les débits sortants du sous bassin de la Kobahina. En effet, le cours de la rivière a été détourné par la population à environ un kilomètre en amont. Par ailleurs, des débordements sont constatés lors des épisodes de fortes crues.

Tableau 7 : Liste des jaugeages à Ambavala (rivière Kobahina) n° date cote (cm) débit (m3/s)

1 17/01/1991 à 16H03 39 1,88 2 18/01/1991 à 10H17 41 2,01 3 19/01/1991 à 16H50 36 1,79 4 20/01/1991 à 14H45 35 1,7 5 21/01/1991 à 10H34 34 1,68 6 22/01/1991 à 10H50 33 1,68 7 23/01/1991 à 11H28 31 1,58 8 24/01/1991 à 10H32 30 1,52 9 25/01/1991 à 09H18 29 1,47 10 26/01/1991 à 09H50 33 1,65 11 01/03/1991 à 10H37 51 2,09 12 12/03/1991 à 10H56 62 2,98 13 13/03/1991 à 10H49 100 6,81 14 14/03/1991 à 07H20 123 8,18 15 14/03/1991 à 10H00 119 7,8 16 14/03/1991 à 17H20 196 16,8 17 15/03/1991 à 10H00 141 10 18 16/03/1991 à 15H40 105 6,88 19 17/03/1991 à 09H30 100 6,47 20 18/03/1991 à 07H40 102 6,75 Source : CNRE

31

Données utilisées

La cinquième station se situe sur la rive droite de l’Ambolokopatrika, dans le village de Miadampoana.

Tableau 8 : Liste des jaugeages a Miadampoana (rivière Ambolokopatrika) n° date cote (cm) débit (m3/s)

1 29/01/1991 à 09H01 69 2,24 2 30/01/1991 à 09H55 67 2,2 3 31/01/1991 à 09H55 66 2,12 4 01/02/1991 à 09H25 66 2,08 5 02/02/1991 à 07H30 71 2,62 6 03/02/1991 à 05H39 73 2,96 7 04/02/1991 à 06H00 79 3,48 8 05/02/1991 à 06H12 109 9,14 9 05/02/1991 à 09H56 102 7,2 10 05/02/1991 à 16H00 130 14,7 11 06/02/1991à 07H00 95 5,64 12 07/02/1991 à 08H15 89 4,62 13 02/03/1991 à 09H41 96 6,2 Source : CNRE

III.6.EVAPOTRANSPIRATION

La nébulosité importante et la forte humidité ambiante contribuent à atténuer l’évaporation dans le district d’Andapa. Le tableau suivant regroupe les quantités de pluies mensuelles sur 25 ans d'observation pour les mois de mai à septembre et sur 35 ans d'observation pour les autres mois.

Tableau 9 : Evapotranspiration

mois J F M A M J J A S O N D total

pluies (mm) 357 322 267 165 75 83 105 102 67 55 101 271 1970

évapotranspiration (mm) 115 110 105 90 80 70 70 65 96 115 115 120 1151

Source : J. Agrer, bureau d’études

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Données utilisées

Les prévisions de l’Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) évoquent pour Andapa une augmentation de la transpiration mais pour une quantité de précipitations accrue [15]. Donc on pourra admettre une certaine stabilité pour ce paramètre.

III.7.BESOINS EN EAU DE LA POPULATION

La consommation d’eau est liée à la démographie des localités. Ainsi, il est nécessaire d’étudier dans un premier temps une répartition des habitants de la zone d’étude. 76% de la population se trouve dans le, bassin de la Lokoho.

Tableau 10 : Répartition de la population dans les Communes d’Andapa

localité (Commune) population (résidents) superficie (km²) densité (hab/km²)

Andapa 14 612 80 182 Tanandava 5 384 150 43 Ankiakabe Nord 5 054 82 61 Belaoka - Marovato 2 901 90 32 Ambodimanga 4 389 263 16 Marovato 4 939 120 37 Andrakata 6 990 782 8 Bealampona 9 208 250 36 Matsohely 3 563 90 44 Andranomena 3 187 70 45 Ambalamanasy 11 107 360 30 Ambodiangezoka 19 022 508 37 Betsakotsako-Andranotsara 4 862 150 32 Anoviara 6 833 300 22 Doany 11 913 520 22 Anjialavabe 6 624 280 12 Antsahamena 2 528 250 10 total 118 714 4 285 27 Source : RPGH, 1993

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Données utilisées

Rien que le Parc National de Marojejy et la Réserve Spéciale d'Anjanaharibe-Sud attirent chaque année de plus en plus de touristes. L’afflux croissant de ces visiteurs a un impact sur l’exploitation des ressources en eau. La consommation d’eau des touristes est en règle générale supérieure à la valeur moyenne des besoins en eau de la population locale. Elle est estimée à 150 litres par jour et par touriste.

Tableau 11 : Infrastructures hôtelières

établissements touristiques nombre de couverts nombre de chambres

Andapa 8 270 71 Antalaha 16 650 195 Sambava 29 885 256 Vohemar 10 200 70 total SAVA 63 2 005 592 Source : Direction Régionale du Tourisme SAVA, 2008

La construction d’un barrage sur la Lokoho a par ailleurs été considérée. L’installation d’une centrale hydroélectrique est envisagée en vue de remplacer le générateur fonctionnant au gazole actuel. Ce qui ferait passer de 2 000 à 3000 le nombre de foyers approvisionnés en [6] électricité à Andapa et Sambava .

III.8.EXIGENCES EN EAU DES ACTIVITES AGRICOLES

Des trois logiciels utilisés dans le cadre de cette étude, WEAP requiert une estimation des besoins en eau pour les années à venir. Une interpolation doit être faite. De plus, les surfaces vivrières augmentent au fil du temps.

Une formule permet le calcul des besoins en eau futurs:

(2) B = Bi (1+Yi)n avec : Bi : besoin en eau actuel (m3/ha/an) Yi : seuil de 2% n : nombre d’années comptés à partir de l’année de base

Le tableau suivant rapporte l’étendue des superficies cultivées dans la Région SAVA et permet de supputer le futur développement des activités agricoles.

34

Données utilisées

Tableau 12 : Surfaces cultivées et cultivables

surface cultivable surface cultivée surface cultivée / cultivable Andapa 202 450 41 097 23 % Antalaha 176 057 37 959 22 % Sambava 161 088 56 962 30 % Vohemar 771 800 46 414 5 %

total (en ha) 1 311 395 182 432 14 % Source : MEI/CREAM/Monographie 2009

La riziculture constitue une activité importante de la population. Comme l’atteste le tableau ci-dessous, elle occupe la plus grande partie des surfaces exploitées. Le riz est parfois cultivé deux fois par an, mais le rendement du riz de la deuxième saison est médiocre.

Les autres cultures constituent un apport complémentaire au riz. La production est toutefois négligée, on déplore l’absence d’évolution des techniques culturales et la faible extension des surfaces cultivées.

Le tableau ci-dessous récapitule les surfaces occupées par les différentes cultures dans le bassin de la Lokoho.

Tableau 13 : Estimation des besoins en eau des cultures vivrières

riz manioc maïs patate haricot

surface (en ha) 16 158 1 003 308 239 15

besoins en eau (en m3/j/ha) 96 42 11 35 23

quantité d’eau (en m3/j) 1 551 130 42 134 3 386 8 379 350

Source : MEI/CREAM/Monographie 2009

Café, girofle et vanille font la renommée d’Andapa. Ces cultures de rente sont quelque peu dispersées dans toute la Région et les méthodes traditionnelles sont surtout utilisées. La non-régénération des vieux plants constitue un frein à la production.

Tableau 14 : Surfaces occupées par les cultures de rente a Andapa vanille café Girofle total (en ha)

3 020 3 750 170 6 940 Source : Annuaire Statistique Agricole 2001

35

Données utilisées

III.9.EXIGENCES EN EAU DE L’ELEVAGE

La pratique de l’élevage intensif intéresse peu les populations. Si les zébus sont surtout sollicités pour les travaux des champs, basses-cours et soues restent cantonnées à des exploitations mineures.

Les habitants de la Cuvette d’Andapa ne considèrent pas l’élevage comme une source de revenus substantielle.

Tableau 15 : Effectif des cheptels

localités bovins porcins volailles

Commune Urbaine Andapa 1 065 3 023 3 130

Commune Rurale Ankiakabe Nord 7 200 900 25 600

Commune Rurale Marovato 628 226 8 379

Commune Rurale Belaoko Marovato 1 000 1 100 9 000

Commune Rurale Ambodimanga I 2 500 100 5 980

Commune Rurale Bealampona 705 195 10 745

Total 13 098 5 544 62 834

Source: Monographie de la Commune urbaine Andapa, 2009

Chaque type d’élevage a ses besoins spécifiques dont une estimation simplifiée a été fournie.

Tableau 16 : Besoin en eau théorique par type d’élevage

type d’élevage bovins caprins ovins porcins volailles

besoins théoriques (litres/jour/tête) 30 4 4 15 1

quantité d’eau (litres/jour) 392 940 600 800 83 160 62 834

Source: Monographie de la Commune urbaine Andapa, 2009

36

Modélisation

Chapitre IV: MODELISATION

Les modèles de bilan hydrologique sont extrêmement utiles afin d’étudier en détail diverses alternatives de gestion des eaux, à concevoir des éléments d’infrastructure clés et à mesurer l’incertitude inhérente à des scénarios actuels et futurs d’exploitation des ressources en eau. Ils permettent de considérer divers modes de gestion potentiels, et se révèlent ainsi en tant qu’outils importants d’aide à la décision.

On distingue en général les formulations déterministes et probabilistes des modèles de bilan hydrologique.

 Les modèles déterministes se basent sur des paramètres fixes pour prévoir les caractéristiques moyennes des ressources et évaluer des scénarios précis tels que les cas extrêmes ou les changements climatiques.  Les modèles probabilistes utilisent des variables aléatoires sous la forme de distributions de probabilité. Ils permettent de déterminer l’incertitude ou la variabilité associée au système modélisé. La probabilité d’apparition d’un résultat contribue aux analyses d’incertitude.

IV.1.MODELES HEC-HMS

IV.1.1.CREATION DU MODELE DE BASSIN

La fonctionnalité HEC-GeoHMS dans ArcMap est ici utilisée. La préparation du MNT constitue une étape très importante dans la création du modèle de bassin. Ce processus se déroule comme suit :

 Fill Sinks: gomme les dépressions et les trous en rectifiant l’élévation des cellules en fonction de celle des zones environnantes.  Flow Direction: définit la direction d’écoulement suivant la plus forte pente d’une cellule vers une autre.  Flow Accumulation: donne le nombre de cellules redirigeant les flux vers une cellule donnée.  Stream Definition: définit les cellules formant le réseau hydrographique.

37

Modélisation

 Stream Segmentation: dissocie les cours d’eau nouvellement définis au niveau des affluents.  Catchment Grid: délimite un bassin pour chaque segment de cours d’eau.

Le résultat obtenu est prêt à être exporté vers HEC-HMS en vue d’un traitement ultérieur :

Figure 17 : Prétraitement avant l’exportation vers HEC-HMS

Cette suite d’opérations permet d’obtenir entre autres les caractéristiques physiques des sous-bassins et des biefs (dimensions, pente, …).

L’étape suivante consiste à localiser l’exutoire du bassin principal afin de permettre à HEC-GeoHMS de circonscrire la zone d’étude. Le projet est ensuite prêt à être exporté vers HEC-HMS.

IV.1.2.CHOIX DES METHODES

Dans le cadre de cette étude, cinq sous-bassins ont été définis. Le principe même du logiciel repose entre autres sur l’existence de sous-bassins.

Outre le modèle de bassin, un modèle météorologique doit aussi être créé. Dans le cadre de cette étude, la méthode « Frequency Storms » a été adoptée.

38

Modélisation

Le débit initial au début de la simulation est considéré comme le débit de base. Il représente est la composante du débit provenant du stockage souterrain. La connaissance du débit de base est importante pour modéliser la récession de l’hydrogramme après la pointe de débit, ainsi que pour estimer le volume de la crue [14]. La décroissance du débit de base est caractérisée par la constante de récession.

Le choix de la méthode de récession a été adopté dans le cadre de ce projet. Ce modèle de récession exponentielle du débit de base est particulièrement pertinent quand le volume des crues et les évènements pluvieux sont fortement liés.

HEC-HMS se propose de subdiviser le bassin en zones dites imperméables et perméables. Les zones imperméables laissent écouler l’eau sans obstacle (évaporation, transpiration ou infiltration). Par contre, l’écoulement en zones dites perméables est sujet à des pertes, c’est-à- dire que les précipitations sont interceptées par la végétation, les sols ou les infrastructures urbaines. La méthode des pertes initiales et constantes a été aussi utilisée. La fonction de production prend aussi en compte l’excès de précipitations.

L’hydrogramme unitaire de Clark a été ici utilisé. Cette méthode se résume en deux processus : la translation et l’atténuation. Les principaux paramètres sont donc le temps de concentration et le coefficient de stockage. Cette fonction de transfert est particulièrement recommandée pour la modélisation d’un relief varié.

Une fois que tous les champs de données sont renseignés, les contrôles de spécification sont à établir. Il s’agit de fournir les dates/heures du début et de la fin de la simulation.

IV.1.3.RESULTATS

La modélisation est basée sur les données de précipitations des mois de janvier à mars 1991. Les mesures de débits effectuées en aval de la Lokoho (à Andohariana) permettent de confronter les résultats de la simulation à la réalité.

39

Modélisation

180 160 140

120 100 80

débits (m3/s) débits 60 observation 40 20 0

Figure 18 : Jaugeages à Andohariana (Lokoho)

HEC-HMS reprend cet hydrogramme des débits observés dans le volet des résultats afin de mieux appréhender la pertinence de la simulation. La méthode du gradient univarié a permis la calibration, c’est-à-dire à déterminer les paramètres pour optimiser la modélisation. La calibration peut être cependant effectuée manuellement en essayant différentes valeurs pour chaque paramètre.

Figure 19 : Hydrogrammes HEC-HMS : Lokoho

Vu le peu de données disponibles, la validation du modèle a été effectuée sur les principaux affluents de la Lokoho. Ainsi les hydrogrammes suivant ont été obtenus :

40

Modélisation

Figure 20 : Hydrogrammes HEC-HMS : Andramonta

On note un certain décalage au niveau de l’hydrogramme d’Andramonta. La pointe de crue présente un décalage de trois heures. Cela est dû à la contribution variable des différentes zones du sous-bassin ainsi qu’à la spatialisation des pluies. Une pluie généralisée sur toute la superficie du sous-bassin entraînerait sûrement un chevauchement de ces courbes.

Figure 21 : Hydrogrammes HEC-HMS : Ambolokopatrika

. La courbe des débits simulés se trouve clairement au-dessus de celle des observations. Ici, HEC-HMS affiche une tendance à surestimer les valeurs de débits. En outre, le premier pic a été pratiquement gommé. L’incapacité du logiciel à retrouver ce premier pic serait due à des pluies violentes après une accalmie. Comme le sol est suffisamment saturé, ses capacités d’absorption s’en trouvent alors modifiées. Or le logiciel ne tient pas compte de ce phénomène. Par contre, les deux courbes se rejoignent parfaitement au niveau du pic principal.

41

Modélisation

Figure 22 : Hydrogrammes HEC-HMS : Kobahina

Un décalage est aussi observé au niveau de ce sous-bassin intermédiaire. Ce phénomène est similaire à celui observé au niveau d’Andramonta, le bassin n’étant en aucun cas de nature uniforme. Un seul pluviographe a été disponible et la ponctualité des mesures ne tient pas compte de la distribution spatiale des précipitations.

Figure 23 : Hydrogrammes HEC-HMS : Ankaibe

Ces deux dernières courbes sont loin d’adopter une allure gaussienne, caractéristique des crues. La période choisie pour la simulation ne coïncide pas avec l’épisode de crue. Cependant, même cette dernière courbe obtenue pour Ankaibe laisse présumer de la fiabilité de la modélisation. Cela découle néanmoins d’un simple examen visuel. Afin de mieux qualifier la capacité du modèle à représenter les fluctuations de débits, le coefficient de Nash peut être calculé.

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Modélisation

(3) ∑

∑ ̅ avec : Qt : débit simulé à l’instant t Qmes,t : débit mesuré à l’instant t Q mes : moyenne des débits mesurés

Le coefficient de Nash prend ici la valeur de 0,9742035, ce qui semble acceptable.

Les tableaux suivants donnent un petit aperçu des calculs effectués par HEC-HMS.

Tableau 17 : HEC-HMS : Résultats de la simulation simulation observations

Pic de débit (m3/s) 153 153,1

Volume de la crue (m3) 79,466.106 82,554.106

Date/heure du pic 06 mars à 09 :30 06 mars à 11 :45

Coefficient de Nash 0,974

Tableau 18 : HEC-HMS : Valeurs de débits calculés (extrait) date heure débits simulés (m3/s) débits mesurés (m3/s)

28/02/1991 09h34 42,6 49 28/02/1991 15h11 39,5 46,9 06/03/1991 09h20 152,7 153 06/03/1991 13h00 152,8 142 07/03/1991 09h02 134,6 109 07/03/1991 13h40 133,9 105 08/03/1991 08h40 109 ,7 83,7 08/03/1991 11h10 108 ,6 97,2 10/03/1991 10h15 104,2 100

Ci-dessous, la réponse hydrologique du sous-bassin est représentée. Ce mode d’affichage permet de confronter les précipitations avec les débits. Les précipitations nettes sont en rouge et les pertes (infiltration, interception) en bleu.

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Modélisation

Figure 24 : Hydrogrammes HEC-HMS : Sous-bassin de la Lokoho

La relation entre précipitation et ruissellement peut être visualisée dans le volet des résultats ainsi que l’infiltration et le ruissellement direct.

Ce modèle dument calé permet d’étudier d’autres épisodes de crues, voire de simuler le comportement des crues futures.

IV.2.MODELES HEC-RAS

IV.2.1.CREATION GEOMETRIQUE Bien que l’on puisse effectuer intégralement cette étape dans HEC-RAS, ArcGis a été ici utilisé afin de tracer le cours de la Lokoho et ses berges. Un traçage précis est obtenu en se basant sur le fond de carte proposé par ArcGis World Imagery.

Le résultat est d’autant plus réaliste, vu qu’on utilise un modèle numérique du terrain de la zone d’étude. Cette manipulation permet d’obtenir efficacement le maillage et les dimensions de toutes les sections.

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Modélisation

Figure 25 : Traçage des sections, berges et cours d’eau basé sur un fond de carte

Le module GeoRAS intégré dans ArcGis permet ensuite de définir les attributs des figures obtenues (géoréférencement des sections, coefficients de Manning, …). Ces étapes aboutissent à la création d’un fichier directement exploitable par le logiciel HEC-RAS.

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Modélisation

Figure 26 : Prétraitement avant l’exportation vers HEC-RAS

Vu que le but principal est d’évaluer les débits et les hauteurs d’eau sur les sections de la rivière, celles-ci doivent être soigneusement placées pour la fiabilité des résultats.

HEC recommande que la distance entre deux sections consécutives soit conditionnée par la profondeur moyenne du canal ainsi que par sa pente moyenne.

(4)

avec : d : distance entre deux sections consécutives hm : profondeur moyenne du canal Sm : pente moyenne

Cet espacement conditionne la précision et la stabilité de la modélisation.

La géométrie des sections transversales du modèle a été établie à partir du modèle numérique de terrain et ajustée ensuite par quelques relevés de terrain.

Le bassin versant a pu être subdivisé en zones selon la nature des sols ayant une influence sur l’écoulement.

Les ouvrages tels que les ponts et digues peuvent être représentés, mais n’ayant pas de données précises, la simulation sera menée sans en tenir compte.

Cette étape importante a permis d’obtenir la géométrie du cours d’eau :

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Modélisation

Figure 27 : Géométrie dans HEC-RAS

IV.2.2.CONFIGURATION DU MODELE

Les coefficients de perte ont pour but de quantifier la perte d’énergie résultant du changement de géométrie entre les sections. Cette perte d’énergie est obtenue en multipliant la différence de vitesse entre deux sections par ceux-ci. HEC suggère par défaut les coefficients 0,01 (contraction) et 0,03 (expansion). Pour les zones où un changement brusque de géométrie est observé, les coefficients 0,02 et 0,05 ont été utilisés.

Vu qu’un travail préalable a été déjà accompli avec HEC-HMS précédemment, les paramètres des cours d’eau ont pu être exploités directement par HEC-RAS (coefficients de Manning, hydrogramme, …).

Un type d'écoulement est ensuite défini: stationnaire ou non-stationnaire. Dans le cas présent, l’écoulement stationnaire a été choisi afin de modéliser le cours d’eau en période normale et le cas non-stationnaire en période de crue. La méthodologie de HEC-RAS diffère selon le type d’écoulement : conditions en amont (stationnaire) ou hydrogrammes de crues (non-stationnaire). Ici, trois cas ont été considérés : période normale, périodes de crue février 1991 et crue théorique.

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Modélisation

L’hydrogramme de crues à l'amont et le calage importés préalablement de HEC-HMS ont été utilisés. Ainsi, la modélisation a pu être rapidement exécutée.

Afin de vérifier la pertinence du modèle, une courbe d’étalonnage établie le 08 février 1991 par L.FERRY a été prise en considération. Neuf jaugeages ont été effectués au niveau d’Andohariana (Lokoho). Elle a été extrapolée jusqu’à 4 mètres (888 m3/s), hauteur d’eau qui sera utilisée comme crue théorique dans la résolution de HEC-RAS. D’autres campagnes de mesure ont été menées mais, de toutes les données disponibles, cette courbe est considérée comme la plus fiable. D’abord parce que les conditions de mesure ont été optimales et ensuite que l’utilisation de la formule de Manning-Strickler, l’extrapolation logarithmique et l’extrapolation par observation des vitesses moyennes donnent des résultats similaires.

Pour information, cette initiative d’étalonnage de stations limnigraphiques a été entreprise à l’époque pour le compte de la Société Andapa MAmokatra (SOAMA) par le CNRE (Centre de Recherche sur l'Environnement) et l'ORSTOM (Office de Recherche Scientifique et Technique Outre-Mer).

Figure 28 : Courbe d’étalonnage établie par L.FERRY

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Modélisation

IV.2.3.RESULTATS

Au terme de la simulation, le cours de la rivière peut être visualisé sous différents angles et perspectives. Ici, un tronçon de la Lokoho a été représenté.

Figure 29 : Vue en perspective de la simulation

La station d’Andohariana situe juste avant les chutes. Sur le profil suivant, elle se situe juste avant que la courbe n’affiche une brusque perte d’altitude.

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Modélisation

Figure 30 : Vue en profil de la Lokoho

En considérant l’épisode cyclonique du 13 au 15 février 1991, il a été reporté des laisses de crues observées entre 3,03m et 3,10m avec un débit estimé entre 523 m3/s et 542 m3/s par conséquent.

HEC-RAS affiche de son côté le résultat suivant au niveau d’Andohariana :

Figure 31 : HEC-RAS coupe, station n°14364.78 au niveau d’Andohariana

Ici, HEC-RAS situe la surface de l’eau à une altitude de 345,40 mètres, ce qui correspond à une hauteur d’eau de 3,05 mètres.

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Modélisation

River = Lokoho Reach = Lokoho RS = 14364.78 347 Legend

W.S. Elev

346

345

W.S. W.S. Elev (m) 344

343

342 0 200 400 600 800 1000 Q Total (m3/s) Figure 32 : HEC-RAS courbe des débits, station n°14364.78 au niveau d’Andohariana

En considérant cette courbe, HEC-RAS estime le débit à 525 m3/s.

Cela confirme entre autres la cohérence de ce modèle. Les résultats au niveau de chaque station sont regroupés dans le tableau récapitulatif de HEC-RAS. Le périmètre mouillé, la vitesse du flux et la pente de la rivière y figurent entre autres.

Figure 33 : Résultats station Andohariana

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Modélisation

En se basant sur cela, une carte peut être établie afin de visualiser le lit de la rivière selon les conditions d’écoulement. Ainsi il est possible de déterminer les zones susceptibles d’être inondées ou éventuellement asséchées.

Au cours de travaux effectués à Madagascar, Louis DURET a pu établir l’estimation d’une crue en tenant compte d'un certain nombre de paramètres physiques. Sa méthode permet par exemple d’évaluer le débit de crue d’une période de retour égale à 100 ans, ce qui 3 donne Q100≈ 3 550 m /s.

Au terme de la présente étude, le cas d’une crue de fréquence centennale a pu être modélisé.

Figure 34 : Ampleur des inondations avec Q100

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Modélisation

IV.3.MODELES WEAP

IV.3.1.INVENTAIRE DES POTENTIALITES EN RESSOURCES EN EAU Le potentiel en ressource en eau souterraine a été matérialisé par un aquifère régional tandis que la Lokoho et ses affluents constituent les principaux cours d’eau.

Les villages et les cultures sont approvisionnés en priorité par le cours d’eau qui leur est géographiquement le plus proche.

IV.3.2.CLASSIFICATION DES DEMANDES

Dans le cadre de cette étude, les sites de demande ont été répartis en quatre catégories (qui comportent elles-mêmes des sous-catégories):

 agriculture: dont les principales cultures sont : riz (irrigué, contre-saison, tanety), manioc, maïs, patate, haricot, vanille, café, girofle et canne à sucre. Chaque culture est rapportée à une sous-catégorie avec ses besoins et ses saisonnalités spécifiques. La forêt y a été aussi incluse en utilisant le mode de calcul MABIA. Cette catégorie bénéficie de la plus haute priorité (priorité de demande = 1).  usage domestique : correspondant à la consommation d’eau des villages. La demande domestique est couverte à partir de l’aquifère régional pour les villages bénéficiant d’installations d’approvisionnement en eau potable, sinon les eaux de surface subviennent au besoin des foyers. Un nœud de retour vers la rivière le volume d’eau symbolise l’eau partiellement utilisée. Selon leur degré d’urbanisation, un niveau de priorité de 1 à 4 est attribué aux douze villages pris en compte.  élevage: qui se rapporte aux besoins en eau du cheptel. Ici chaque type d’élevage équivaut à une sous-catégorie propre.  tourisme: qui regroupe la consommation en eau des établissements d’accueil. Bien qu’il soit encore peu important à Andapa, le tourisme est pressenti de prendre plus d’importance dans les années à venir, d’où l’intérêt de sa prise en compte en vue des scénarios futurs.

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Modélisation

IV.3.3.CARACTERISATION DU CLIMAT

Vu l’impact considérable du climat, l’ « assistant séries temporelles mensuelles » permet d’introduire les variations mensuelles des principaux paramètres météorologiques comme les précipitations, la température et l’humidité. Ces données climatiques sont utilisées par le modèle pour calculer l’évapotranspiration de référence en utilisant l’équation de Penman Montieth. La latitude du site aussi a été introduite dans le modèle.

Ces données constituent la structure de base pour la modélisation des stocks et besoins au niveau d’une communauté sous différents scénarios.

IV.3.4.CALAGE DU MODELE

La phase de calage est une phase très importante de la modélisation. Celle-ci vise à faire coïncider le modèle avec une référence, c’est-à-dire avec des observations ultérieures sur le site étudié. Les paramètres du modèle devront être tout d’abord soigneusement déterminés afin de reproduire autant que possible les évènements réels.

L’épisode cyclonique du mois de Février 1991 a été choisi ici comme « évènement de référence ».

IV.3.5.RESULTATS

Quand le potentiel des ressources, les caractéristiques des sites de demande, les paramètres climatiques, les coefficients culturaux sont correctement introduits, WEAP fournit de multiples sorties de résultats sous forme de tableaux, de courbes XY, en échelle linéaire ou logarithmique, d’histogrammes en 2D ou 3D. Il revient alors à l’utilisateur d’en dégager les aspects qui peuvent l’intéresser.

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Modélisation

Figure 35 : Interface WEAP

a.SCENARIO REFERENCE

La méthode de calcul MABIA, dont l’algorithme de calcul dépend du calendrier des cultures (cf. Annexe), a été mise en œuvre. Les activités agricoles consomment la grande partie des ressources en eau.

Figure 36 : Demande en eau

La riziculture est ici le secteur accaparant le plus les ressources en eau. La figure suivante permet d’estimer les besoins des autres secteurs en occultant les exigences de l’agriculture.

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Modélisation

Figure 37 : Demande en eau, sans agriculture

Sachant les demandes et exigences de chaque secteur, il convient de vérifier si les besoins en eau sont satisfaits. En cas d’insuffisance, on pourra déterminer les secteurs subissant une quelconque carence.

Figure 38 : Recouvrement, scénario référence

Ici, la totalité de la demande est satisfaite pour chaque secteur. On note un taux de recouvrement de 100% à tous les niveaux.

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Modélisation

b.SCENARIO DEFORESTATION

La population se consacre massivement à l’agriculture. Ainsi de grandes étendues de forêts sont continuellement défrichées. L’impact de la déforestation est mis en évidence dans WEAP.

Figure 39 : Précipitations, scénarios référence et déforestation

Tout d’abord, la diminution des aires occupées par la forêt entraîne une régression des précipitations. En comparant la moyenne des pluies mensuelles des scénarios référence et déforestation, la quantité de pluie diminue dramatiquement d’après la simulation.

Figure 40 : Humidité des sols, comparaison avec référence

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Modélisation

De même, l’humidité des sols décroît. Ce qui pourrait avoir une influence sur les activités agricoles.

Figure 41 : Recouvrement, scénario déforestation

Les besoins en eau demeurent cependant satisfaits, malgré la réduction du volume des précipitations et de la diminution de la recharge de la nappe souterraine.

c.SCENARIO ELECTRIFICATION

Initialement, des générateurs fonctionnant au Diesel sont utilisés par la compagnie d’électricité nationale. Une étude a entre autres été menée en vue de suppléer à la fourniture d’électricité aux villes d’Andapa et de Sambava. L’implantation d’une centrale hydraulique vise à produire une énergie plus propre à moindre coût. De ce fait, plusieurs petits villages auront aussi accès à l’électricité.

La centrale hydraulique devrait être installée à Andapa et l’électricité sera ensuite acheminée par un réseau de lignes à haute tension vers Sambava et les petits villages. Une installation de 4MW épaulera le générateur Diesel dans un premier temps et visera à le remplacer graduellement [8].

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Modélisation

Figure 42 : Demandes non-satisfaites en électricité, scénario électricité

Dès l’année de sa mise en marche, la centrale hydroélectrique devrait satisfaire aux besoins des grandes villes et des villages nouvellement connectés au réseau électrique.

Encore une fois, la demande en eau est satisfaite à 100%.

d.SCENARIO DEFORESTATION + ELECTRIFICATION

Au vu de la croissance de la population, les activités agricoles vont continuellement s’intensifier. L’aménagement de nouveaux espaces de culture passe souvent par l’abattage des forêts malgré la politique environnementale. De plus, l’électrification est inhérente au développement des villages.

Il s’avère alors que le scénario déforestation + électrification est le plus réaliste.

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Modélisation

Figure 43 : Recharge de la nappe souterraine

La recharge de la nappe souterraine décroît à mesure que la couverture forestière rétrécit. Même si les espaces cultivés gagnent en superficie, cela ne parvient pas à combler la disparition progressive de la forêt.

Figure 44 : Ruissellement, comparaison avec référence

Avec la diminution de la couverture forestière, le phénomène de ruissellement prend de l’ampleur. Cela risque d’accélérer l’érosion et l’appauvrissement des sols.

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Modélisation

Figure 45 : Recouvrement, scenario déforestation + électrification

Face aux nouvelles exigences de débits, les ressources en eau sont toujours suffisantes pour satisfaire la totalité de la demande pour chaque secteur. On note un taux de recouvrement de 100% à tous les niveaux.

IV.4.BILAN ET PERSPECTIVES

La vaste plaine d’altitude est entourée de massifs montagneux à versants abrupts. Ce bassin adopte la forme d’une cuvette ayant un exutoire étroit. En effet, on observe en aval un fort rétrécissement du lit de la Lokoho, ce qui empêche l’évacuation rapide des eaux de ruissellement.

Le faible nombre de stations de mesures opérationnelles limite grandement la modélisation, cependant les logiciels fournis par HEC (en l’occurrence HEC-HMS et HEC- RAS) se contentent de peu de données et offrent cependant des résultats exploitables. L’application WEAP nécessite quant à elle plus d’informations.

La déforestation entraîne la diminution du temps de concentration et ainsi une augmentation du débit, la forêt jouant un rôle important dans l’interception de la pluie. Comme ce phénomène prend de l’ampleur, le comportement hydrologique du bassin risque de connaître un bouleversement dans le futur. De plus, l’urbanisation contribue à l’imperméabilisation des sols dans les zones habitées. Ce qui accentue le ruissellement.

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Modélisation

Une gestion aboutie des ressources en eau relève presque d’une gageure quand il s’agit de suppléer à une pénurie d’eau ou à parer aux risques d’inondations par exemple. A cet effet, la mise en œuvre de HEC-HMS/RAS et de WEAP contribue efficacement à rendre cette tâche plus aisée. La prévision en temps réel, rendue possible grâce à HEC-HMS, concourt au service d’annonces de crues. HEC-RAS, par la cartographie des zones à risques, permet la mise en place de mesures préventives contre les catastrophes. De son côté, WEAP permet de supputer la situation à venir au moyen de l’ébauche de divers scénarios pour se projeter dans le futur. Utilisés avec discernement, ces outils donnent des résultats satisfaisants et ont été adoptés par plusieurs institutions de par le monde. Ainsi, il appert que l’apport de ces logiciels à une meilleure gestion des risques est indéniable.

De cette étude découle que les ressources en eau sont abondantes dans la zone d’étude et parviennent à satisfaire largement aux besoins de la population. La couverture végétale demeure importante malgré la déforestation galopante. Les impacts négatifs devraient pourtant se faire ressentir dans un avenir proche, si des mesures appropriées ne sont pas prises.

Sans pouvoir proposer des solutions avec étude de faisabilité, quelques suggestions peuvent être avancées au vu des résultats.

La réglementation de l’exploitation forestière est nécessaire [2]. Des initiatives ont certes été prises (création des aires protégées) mais la politique environnementale n’est pas assimilée par la population locale. Sous prétexte de développer les activités agricoles, de nouvelles étendues de forêts sont défrichées. Il serait pourtant plus judicieux d’améliorer le rendement des champs déjà en exploitation.

Cette étude a aussi permis de délimiter des zones susceptibles d’être inondées, l’urbanisation du district d’Andapa gagnerait à en tenir compte. L’aménagement des berges et la création de déversoirs s’avéreront utiles pour faire face aux crues futures, qui risquent d’être de plus en plus violentes.

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CONCLUSION

CONCLUSION

Les précipitations entraînent les phénomènes de ruissellement, d’évaporation ou d’infiltration au niveau du bassin versant. Les logiciels utilisés dans le cadre de cette étude ont permis entre autres de déterminer la destination de ces apports en eau lors des épisodes pluvieux. Les simulations seraient cependant sans doute plus fiables s’il existait un nombre plus important de stations au sol.

Les logiciels HEC proposent des modèles stochastiques afin d’établir une relation entre pluie et débit tandis que WEAP offre une approche plus déterministe.

Le logiciel HEC-HMS a permis de créer un modèle pluie-débit apte à reproduire les épisodes de crues au niveau de la Lokoho. Il donne des résultats satisfaisants avec juste un nombre réduit de paramètres. Le modèle hydrologique est destiné principalement à une application opérationnelle et un fonctionnement en temps réel est envisageable.

Le logiciel HEC-RAS a permis de d'évaluer les débits et hauteurs d'eau sur l'ensemble des sections de la Lokoho et de ses affluents lors des épisodes de crues ou en temps normal. Ainsi une carte des zones sensibles a pu être créée.

Le logiciel WEAP met en évidence que l’exploitation désordonnée et anarchique des ressources naturelles nuit gravement à l’environnement. Cela affectera à terme le mode de vie de la population à défaut d’une prise de conscience collective. La considération des résultats de cette étude contribuerait grandement à la planification du territoire et à la gestion des risques d’inondation ou de sécheresse.

Le bilan hydrique moyen positif sur l’année ne fait que mettre en exergue le statut privilégié de cette zone en termes de richesse en eau. Cela ouvre naturellement de nouvelles perspectives de développement, autant sur le plan économique qu’humain. Des travaux d’irrigation et l’implantation d’une centrale hydroélectrique sont entre autres envisageables.

Ce qui, d’ailleurs, ne peuvent être que bénéfiques pour la population.

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Bibliographie

BIBLIOGRAPHIE [1] AGRER, 1978. Études pour la mise en valeur de la Cuvette d’Andapa. Contrat d’études no ET/1282, 92 pages.

[2] ANDRIAMANALINA R., 2003 : Etude d’Impact d’un contrat de location-gérance dans le périmètre de reboisement de la Mandaratsy, DESS d’Etudes d’Impacts Environnementaux, CFSIGE et Université de Bordeaux IV, 52 pages.

[3] ANGAP, 2002. Plan de Gestion du Réseau d’Aires Protégées de Madagascar.

[4] BESAIRIE H., 1946. La géologie de Madagascar en 1946, annales géologiques du Service des Mines.

[5] BURGEAP, 2003. Assistance à l’élaboration du document de politique de développement du secteur eau et assainissement en milieu rural. 79 pages.

[6] Commune Urbaine d’Andapa, 2002. Plan de Développement Communal, 77 pages.

[7] Goodmann, 1996. Inventaire biologique de la Réserve Spéciale d’Anjanaharibe.

[8] GTZ, 2006. Étude 4: Potentiel de développement de Micro/Mini centrales hydroélectriques (max. 200kW) - Étude régionale, district d’Andapa, 69 pages.

[9] JIRAMA, 2003. Pluviométrie de la Région de Miarinarivo entre 1971 et 1984.

[10] Ministère de l’Energie et des Mines, 1998 : code de l’eau, 20 pages.

[11] Ministère de l’Energie et des Mines, 1998 : décret n°2003/191 portant création des agences de bassin et fixant leur organisation attributions et fonctionnement, 8 pages.

[12] Ministère de l’Energie et des Mines, 1998 : décret n°2003/193 portant fonctionnement et organisation du service public de l’eau potable et de l’assainissement des eaux usées domestiques, 19 pages.

[13] Ministère de l’Energie et des Mines, 1998 : décret n°2003/792 relatif aux redevances de prélèvements et de déversements, 4 pages.

[14] REMENIERAS G., 1980. L’hydrologie de l’ingénieur. Edition Eyrolles, 456 pages.

Documentation en ligne :

[15] http://www.ipcc.ch/publications_and_data/publications_and_data.shtml (page web d’International Panel On Climate Change, consultée le 14 février 2014)

[16] http://www.ecy.wa.gov/programs/eap/swintro.html. (page web du Department of Ecology de l’Etat de Washington, consultée le 17 février 2014)

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Annexe

ANNEXE calendrier des cultures

jan fév mars avril mai juin juillet août sept oct nov déc 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 préparation du sol

pluvial semis riz entretien

récolte pépinière préparation du sol riz irrigué repiquage sarclage traitement plante récolte

pépinière ri

z contre préparation du sol saison repiquage sarclage

- récolte défrichement piquetage plantation

arcure café choix du rejet sarclage fumure égourmandage récolte défrichement plantation tuteur plantation liane & vanille tavachage Z enroulement liane fécondation Z récolte Z préparation du sol a semis Z démarrage maïs remplacement manquant sarclage buttage récolte préparation du sol manioc plantation sarclage récolte Source : Annuaire Statistique Agricole 2001

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Table des matières

TABLE DES MATIERES Sommaire ...... i Liste des tableaux ...... ii Liste des figures ...... iii Liste des acronymes ...... v INTRODUCTION ...... 1 Chapitre I: Présentation de la zone d’étude ...... 2 I.1. A propos de la Région SAVA ...... 2 I.2. Délimitation de la zone d’étude ...... 3 I.3. Contexte climatique ...... 4 I.4. Contexte hydrologique ...... 6 I.5. Contexte géologique [4] ...... 8 I.6. Contexte géomorphologique ...... 10 I.7. Aires protégées et couverture végétale ...... 11 Chapitre II: HEC-HMS, HEC-RAS et WEAP ...... 14 II.1. HEC-HMS ...... 14 II.1.1. Présentation ...... 14 II.1.2. Exemples d’application ...... 14 II.1.3. Méthodologie HEC-HMS ...... 15 II.2. HEC-RAS ...... 16 II.2.1. Presentation ...... 16 II.2.2. Exemples d’application ...... 16 II.2.3. Méthodologie HEC-RAS ...... 17 II.3. WEAP ...... 19 II.3.1. Présentation ...... 19 II.3.2. Analyses de scénarios ...... 19 II.3.3. Exemples d’application ...... 20 II.3.4. Méthodologie ...... 20 II.3.5. Interface ...... 22 Chapitre III: Données utilisées ...... 23 III.1. Caractérisation du bassin versant ...... 23 III.2. Caractéristiques de l’aquifère ...... 26

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Table des matières

III.3. Couverture végétale ...... 26 III.4. Données climatiques ...... 27 III.5. Débits moyens, débits de crues ...... 29 III.6. Evapotranspiration ...... 32 III.7. Besoins en eau de la population ...... 33 III.8. Exigences en eau des activités agricoles ...... 34 III.9. Exigences en eau de l’élevage ...... 36 Chapitre IV: Modélisation ...... 37 IV.1. Modèles HEC-HMS ...... 37 IV.1.1. Création du modèle de bassin ...... 37 IV.1.2. Choix des méthodes ...... 38 IV.1.3. Résultats ...... 39 IV.2. Modèles HEC-RAS ...... 44 IV.2.1. Création géométrique ...... 44 IV.2.2. Configuration du modèle ...... 47 IV.2.3. Résultats ...... 49 IV.3. Modèles WEAP ...... 53 IV.3.1. Inventaire des potentialités en ressources en eau ...... 53 IV.3.2. Classification des demandes ...... 53 IV.3.3. Caractérisation du climat ...... 54 IV.3.4. Calage du modèle ...... 54 IV.3.5. Résultats ...... 54 IV.4. Bilan et perspectives ...... 61 CONCLUSION ...... 63 Bibliographie ...... 64 Annexe ...... 65

Table des matières ...... 66

67 titre : «ETUDE DU BASSIN VERSANT DE LA LOKOHO PAR APPROCHE HEC- HMS/RAS ET WEAP21» nombre de pages : 63 ; nombre de tableaux : 18 ; nombre de figures : 45.

Résumé:

En vue de la mise en place d’un système de gestion efficace des ressources en eau dans la cuvette d’Andapa, une modélisation hydrologique du bassin de la Lokoho vient à propos. Les logiciels HEC-HMS et HEC-RAS aident à estimer les débits caractéristiques de crue des principaux cours d’eau de la zone d’étude et contribuent à l'étude hydraulique visant à évaluer les risques d'inondation ou de sécheresse. Par ailleurs, WEAP a permis de modéliser les ressources en eau et les besoins des différents sites suivant des scénarios variés. Il en ressort de cette étude que la Cuvette d’Andapa jouit d’une situation privilégiée, mais que l’intensification de l’activité humaine tend à rendre précaire.

Mots-clés : WEAP, HEC-HMS, HEC-RAS, Lokoho, Andapa, bassin versant.

Abstract:

In order to set up an efficient water resource management system in Andapa’s Cuvette, an hydrological modeling of the Lokoho’s watershed is deemed as appropriate. The HEC-HMS and HEC-RAS softwares aim to estimate the typical flood flows of the main rivers in the study area and contribute to the hydraulic study for assessing the risks of flooding or drought. In addition, modeling the water resources and the needs of the different sites according to various scenarios was made possible by WEAP. This study shows that Andapa’s Cuvette benefits from a privileged position, but that the intensification of human activity tends to make it precarious.

Keywords: WEAP, HEC-HMS, HEC-RAS, Lokoho, Andapa, watershed.

impétrant: encadreur:

RATSIMBASON Tiana RAZAFINDRAKOTO Boni Gauthier [email protected] [email protected]