Université de Tunis El Manar ECOLE NATIONALE D'INGÉNIEURS DE TUNIS
THESE
présentée pour obtenir le diplôme de Docteur en Génie Hydraulique
soutenue publiquement le 26 Juin 2006
par KINGUMBI Ahmadi
TITRE : MODELISATION HYDROLOGIQUE D’UN BASSIN AFFECTE PAR DES CHANGEMENTS D’OCCUPATION. CAS DU MERGUELLIL EN TUNISIE CENTRALE.
devant le jury suivant :
MAALEL Khalifa Président BARGAOUI Zoubeida Codirectrice de thèse HUBERT Pierre Codirecteur de thèse BOUHLILA Rachida Rapporteur LEDUC Christian Rapporteur BESBES Mustapha Examinateur LEDOUX Emmanuel Examinateur MEKKI Hamza Invité
Thèse préparée en collaboration entre le Laboratoire de Modélisation en Hydraulique et Environnement, l’Institut de Recherche pour le Développement et le Centre d’Informatique Géologique
Résumé Le bassin de l’oued Merguellil se situe en Tunisie centrale, une région est caractérisée par un climat semi-aride. Cette étude s’étend sur une superficie d’environ 1325 Km² dont l’exutoire est le barrage d’El Haouareb, mis en eau en 1989. Ce bassin a été l’objet de plusieurs aménagements de conservation des eaux et des sols dès le début des années 1960 mais dont le rythme d’implantation s’est accéléré vers le milieu des années 1980. Ces aménagements, qui couvrent actuellement presque un quart de la superficie du bassin, sont classés en deux catégories : les aménagements des versants constitués essentiellement de banquettes (200 Km²) et les aménagements du réseau hydrographique constitués principalement de retenues collinaires drainant une superficie d’environ 170 Km². Quatre systèmes aquifères interconnectés, qui s’étendent sur environ 600 Km², constituent les principaux réservoirs souterrains en relation avec l’oued Merguellil. D’importants prélèvements, qui n’ont cessé de progresser depuis le début des années 1970, sont effectués dans ces aquifères pour l’alimentation en eau potable, l’utilisation agricole et l’industrie touristique. Ces prélèvements ont provoqué d’importantes baisses piézométriques qui ont atteint dans deux zones 30 m de rabattement. La pluviométrie annuelle est habituellement comprise entre 200 et 500 mm, mais deux années exceptionnellement pluvieuses (1969/70 et 1989/90) ont marqué l’historique pluviométrique récent. Les apports moyens interannuels aux stations de Haffouz (675 km²) et Sidi Boujdaria (890 Km²) ont été estimés respectivement à 16.7 et à 32 millions de m 3 (sur la période 1974-1982), alors qu’une étude récente a estimé les apports moyens interannuels au barrage d’El Haouareb à seulement 23 millions de m 3 entre 1989 et 1998. Deux facteurs peuvent avoir contribué à la baisse des écoulements : d’une part une éventuelle diminution des précipitations et d’autre part l’action anthropique matérialisée par les différents travaux de conservation des eaux et des sols qui auraient pour conséquence la réduction du ruissellement de surface. L’investigation sur la première hypothèse a été effectuée par une étude de la variabilité interannuelle de plusieurs variables (locales et spatiales) construites à partir des pluies journalières (entre 1950 et 1998) à l’aide des tests et procédures statistiques de détection des changements. On trouve que les distributions de probabilité des pluies journalières supérieures à 30 mm, aux différentes stations, sont statistiquement différentes entre la période 1976-1989 et les périodes antérieure et postérieure. De même, la surface couverte par les pluies journalières dépassant 30 mm a statistiquement diminué entre 1976 et 1989. Si l’hypothèse de changement peut être retenue pour les distributions des séries des surfaces couvertes par les pluies > 30 mm, le changement aurait eu lieu en 1976. Nous investiguons l’effet des aménagements de conservation des eaux et des sols combiné à celui de la variabilité pluviométrique par modélisation hydrologique. Le Modèle MODCOU, élaboré à l’Ecole des Mines de Paris et qui simule à la fois les écoulements superficiels et souterrains, a été ainsi calibré sur la période 1970-1998. Les écoulements de surface sont modélisés à travers une fonction de production conceptuelle à réservoirs (de 7 paramètres et 2 variables d’état). Les écoulements en zone saturée sont décrits par l’équation de diffusivité,
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (Laboratoire de Modélisation en Hydraulique et Environnement) i
Résumé résolue par approximation aux différences finies connaissant les prélèvements. Pour tenir compte des différents aménagements de conservation des eaux et des sols, une paramétrisation spatio-temporelle de la fonction de production a été considérée. Le calage considérant la reconstitution de piézométrie et de l’hydrométrie sur plusieurs sites de mesures (multicritère et multisite), et par la génération stochastique des solutions candidates, a été effectué. Les solutions qui donnent une bonne reconstitution des historiques hydrométriques et piézométriques ont été retenues et analysées à l’aide des mêmes tests et procédures statistiques que ceux utilisés pour les séries pluviométriques sur la période 1970-1998. Ces tests ont été appliqués sur la moyenne (des sorties simulées) issue des solutions adoptées. Il en ressort que les écoulements simulés connaissent une rupture de moyenne en 1976, ce qui corrobore le changement identifié dans les grands évènements pluviométriques (> 30 mm). Cependant, la contribution du ruissellement simulé dans l’écoulement montre deux ruptures en 1977 et en 1989 : deux périodes durant lesquelles cette contribution est relativement plus importante (1970-1977 et 1989-1998) séparées par une période dans laquelle elle est sensiblement plus faible (1977-1989). D’autre part, la contribution du débit de base simulé dans l’écoulement connaîtrait deux dates de ruptures (1977 et 1989) qui donnent deux périodes déficitaires (1970-1977 et 1989-1998) encadrant une période excédentaire (1977- 1989). Ainsi, malgré une certaine reprise pluviométrique sur la période 1989-1998, la baisse de la réponse du bassin du Merguellil enregistrée à partir de la mise en eau du barrage d’El Haouareb (1989) serait essentiellement due à la baisse de la contribution du débit de base aux écoulements. Cette baisse, en relation avec le niveau piézométrique, serait consécutive à l’augmentation des prélèvements dans les nappes.
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (Laboratoire de Modélisation en Hydraulique et Environnement) ii Abstract The Merguellil wadi basin is located in the central Tunisia, a region characterized by a semiarid climate. This study spreads on an area of about 1325 km² with El Haouareb dam, which was priming in 1989, as outlet. The basin was submitted to several works of soil and water conservation since the sixties with an important contribution in the late eighties. These practices, that currently cover nearly ¼ of the surface of the basin, are classified in two categories: the practices on basin slopes constituted essentially by contour ridges (200 Km²) and the practices on the hydrographical network by implantation of small hilly dams draining about 170 Km². Four interconnected aquifer systems, which spread on about 600 Km², constitute the main underground reservoirs in relation with the Merguellil wadi. Important withdrawals, which increased progressively since the beginning of the seventies, are made in these aquifers for water supplies, agricultural use and tourist industry. These withdrawals are responsible for a decrease of the water table of 30 m in certain points. While the rainfall varies from 200 to 500 mm a year, two extreme events took place in 1969/70 and 1989/90. The annual mean inflows at the stations of Haffouz (675 km²) and Sidi Boujdaria (890 Km²) have been estimated respectively to 16.7 and to 32 millions m3 (for the period 1974-1982), whereas the annual inflows to the El Haouareb dam were evaluated to only 23 millions m3 between 1989 and 1998. The aim of this study is the investigation of the reasons of the decrease noted on the inflows. Two factors may have contributed to the decrease of the inflows of this basin: on the one hand the reduction of the precipitations inputs and on the other hand the human action consequently to the different works of water and soils conservation. A study of the annual variability of several variables (local and spatial) built from the daily rains has been undertaken using statistical approaches. We find that the probability distributions of daily rainfall superior to 30 mm, at the different stations, are statistically different between the period 1976-1989 and the previous and posterior periods. In the same way, the surface covered by the daily rains > 30 mm decreased statistically between 1976 and 1989. If the hypothesis of change is considered, the date of change in the distributions of the series of surfaces covered by rain > 30 mm would be 1976. A hydrologic modelling that takes into account the soil and water conservation practices on the basin has been undertaken within the MODCOU model, elaborated at Ecole des Mines de Paris. In this model, the surface flows are modelled through a conceptual production function of reservoirs (with 7 parameters and two state variables). The flows in saturated zone are described by the diffusivity equation, solved by the difference finite approach. To take into account water and soil conservation practices, a spatial and temporal parameterization of the production function has been considered. A calibration process that considers the piezometric and the hydrometric data at several sites of measures was used with stochastic generation of the candidate parameters. The solutions satisfying a given criteria for model errors were retained. The statistical analysis of model outputs was then performed. For the simulated inflows, a decrease in the mean was identified from 1976, which corroborates previous results about the
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (Laboratoire de Modélisation en Hydraulique et Environnement) iii
Abstract change noted in the heavy rain events. However, the contribution of the simulated surface runoff in the inflow of the Merguellil basin shows two changes in 1977 and in 1989: two periods during which this contribution is relatively more important separated by one period in which it is appreciably weaker (1977-1989). On the other hand, the contribution of the simulated flows from aquifers in the Merguellil basin inflow shows two dates of change (1977 and 1989) that give two periods showing a deficit framing an excess period (1977-1989). Although we witnessed a certain pluviometric increase for the period 1989-1998, the decrease of the Merguellil basin inflows recorded on the period after the beginning of El Haouareb dam exploitation (1989) would be essentially due to the decrease of the underground flow contribution consecutive to an increase of withdrawals in the aquifers.
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (Laboratoire de Modélisation en Hydraulique et Environnement) iv Sommaire
Résumé...... i Abstract ...... iii Sommaire ...... v Liste des figures ...... ix Liste des tableaux...... xv Sigles et abréviations...... xvii
Introduction générale...... 1
1. Etat de l’art sur l’étude de la variabilité dans la modélisation du cycle de l’eau ...... 4 1-1- Le cycle de l’eau ...... 4 1-2- Modélisation de la variabilité du cycle de l’eau ...... 6 1-2-1- Variabilité ou changement climatique...... 6 1-2-2- Variables étudiées pour caractériser l’évolution du climat ...... 6 1-2-3- Méthodes utilisées pour caractériser l’évolution des éléments du cycle de l’eau. 7 1-2-4- Usage des méthodes sur le bassin du Merguellil...... 8 1-3- Modélisation hydrologique du cycle de l’eau...... 8 1-3-1- Mécanismes de genèse d’écoulement et de recharge des nappes...... 8 1-3-1-1- Mécanismes de genèse d’écoulement ...... 8 1-3-1-1-a- Ruissellement de surface...... 9 1-3-1-1-b- Ecoulement hypodermique ...... 9 1-3-1-1-c- Ecoulement de base...... 10 1-3-1-2- Mécanismes de recharge des nappes...... 10 1-3-2- Quantification des composantes du cycle hydrologique...... 11 1-3-2-1- Approche du bilan hydrologique ...... 11 1-3-2-2- Approche systémique et modélisation du cycle de l’eau...... 11 1-3-3- Classification des modèles hydrologiques ...... 12 1-3-4- Calage des modèles hydrologiques ...... 13 1-3-4-1- Sources d’incertitudes dans les modèles hydrologiques...... 14 1-3-4-2 - Méthodes de calage des modèles hydrologiques ...... 14 1-3-4-2-a- Ajustement manuel des paramètres...... 14 1-3-4-2-b- Optimisation automatique des paramètres...... 15 1-3-4-2-c- Combinaison des calages manuel et automatique...... 15 1-3-4-3- Joindre les approches stochastique et déterministe dans le calage des modèles hydrologiques...... 16 1-3-4-4- Critères numériques d’évaluation des performances de calage des modèles hydrologiques...... 16 1-3-5 Prise en compte des aménagements dans la modélisation hydrologique ...... 17 1-3-6- Choix du modèle hydrologique...... 18 1-4- Conclusion ...... 18
2. Contexte physique de la zone d’étude ...... 21 2-1- Situation de la zone d’étude...... 21 2-2- Topographie du bassin du Merguellil ...... 22 2-3- Pédologie de la zone d’étude ...... 26 2-4- Occupation spatiale de la zone d’étude...... 29
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) v
Sommaire
2-5- Implantation des aménagements de Conservation des Eaux et des Sols (CES) dans la zone d’étude ...... 31 2-5-1- L’érosion dans le bassin du Merguellil ...... 31 2-5-2- Les aménagements des versants du bassin du Merguellil...... 32 2-5-2-1- Plantations pastorales et fixations biologiques ...... 32 2-5-2-2- Cordons et seuils en pierres sèches...... 32 2-5-2-3- Banquettes de rétention totale...... 32 2-5-3- Les aménagements des cours d’eau du bassin du Merguellil...... 34 2-5-3-1- Ouvrages de stabilisation des berges et des profils en long...... 34 2-5-3-2- Lacs et barrages collinaires...... 35 2-6- Aperçu du cadre administratif et socio-économique de la zone d’étude ...... 38 2-7- Conclusion ...... 39
3. Données hydrométéorologiques...... 40 3-1- Aperçu du cadre climatique de la zone d’étude...... 40 3-1-1- Les températures du bassin du Merguellil...... 40 3-1-2- Vitesses et directions des vents ...... 41 3-1-3- Humidité de l’air ...... 41 3-1-4- Evaporation et évapotranspiration...... 41 3-2- Pluviométrie de la zone d’étude...... 43 3-2-1- Réseau des mesures pluviométriques et pluviographiques ...... 43 3-2-2- Vérification des données pluviométriques ...... 46 3-2-2-1- Méthodes de contrôle des données ...... 46 3-2-2-2- Comment appliquer les méthodes de contrôle des données...... 47 3-2-2-3- Mise en œuvre de la méthode de double masse...... 48 3-2-2-4- Mise en oeuvre de la méthode d’ellipse de Bois...... 49 3-2-3- Caractérisation des données pluviométriques ...... 50 3-2-3-1 Caractérisation de la pluie au niveau des stations individuelles ...... 50 3-2-3-2 Caractérisation de la pluie au niveau régional ...... 51 3-2-3-3 Caractérisation des intensités pluviométriques du bassin du Merguellil ...... 54 3-2-4- Reconstitution des données pluviométriques manquantes...... 55 3-3- Hydrométrie de la zone d’étude...... 56 3-3-1- Réseau hydrographique...... 56 3-3-2- Stations des mesures hydrométriques ...... 57 3-3-3- Vérification des données hydrométriques ...... 58 3-3-3-1- Anomalies et lacunes dans les données hydrométriques journalières ...... 58 3-3-3-2- Comparaison des pluies et des débits journaliers au niveau des sous bassins du Merguellil...... 58 3-3-3-3- Comparaison des pluies et des débits à l’échelle des évènements pluvieux.. 59 3-3-3-3-a- Station hydrométrique de Skhira...... 60 3-3-3-3-b Station hydrométrique de Haffouz ...... 60 3-3-3-3-c- Station hydrométrique de Sidi Boujdaria...... 61 3-3-4- Caractérisation des données hydrométriques ...... 63 3-3-4-1- Station hydrométrique de Skhira ...... 63 3-3-4-2- Station hydrométrique de Haffouz...... 64 3-3-4-3- Station hydrométrique de Zebbes ...... 65 3-3-4-4- Station hydrométrique de Sidi Boujdaria...... 65 3-3-4-5- Données issues du bilan du barrage d’El Haouareb...... 65 3-3-4-6- Conclusion ...... 66 3-3-5- Caractérisation chimique des eaux de l’oued Merguellil...... 67
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) vi Sommaire
3-4- Conclusion ...... 68
4. Analyse des données hydrogéologiques...... 71 4-1- Méthodologie de traitement des données hydrogéologiques...... 72 4-2- Synthèse du traitement des données hydrogéologiques...... 73 4-2-1- Délimitation des systèmes aquifères ...... 73 4-2-1-1- Affleurements géologiques du bassin du Merguellil ...... 73 4-2-1-2- Morphologie des principales cuvettes souterraines du bassin du Merguellil 77 4-2-1-3- Délimitation des nappes...... 79 4-2-2- Caractérisation du fonctionnement des nappes ...... 80 4-2-2-1- Paramètres hydrodynamiques ...... 80 4-2-2-2- Piézométrie des nappes...... 84 4-2-2-3- Zones d’alimentation et d’exutoire naturel des nappes...... 85 4-2-2-4- Evolution temporelle des prélèvements dans les nappes ...... 86 4-2-2-5- Evolution temporelle du niveau piézométrique ...... 88 4-3- Minéralisation des eaux souterraines du bassin du Merguellil ...... 91 4-4- Conclusion ...... 92
5. Evolution des séries pluviométriques de la zone d’étude ...... 94 5-1- Données utilisées ...... 95 5-1-1- Approche locale...... 95 5-1-1-1- Définition des variables utilisées ...... 95 5-1-1-2- Persistance temporelle des classes de pluie ...... 96 5-1-2- Approche spatiale...... 96 5-2- Méthodes statistiques utilisées...... 98 5-2-1- Test de Pettitt...... 99 5-2-2- Procédure de segmentation des séries hydrométéorologiques ...... 99 5-2-3- Méthode bayésienne de Lee et Heghinian...... 100 5-3- Variabilité pluviométrique à l’échelle locale...... 101 5-3-1- Evolution des pluies annuelles des huit stations sélectionnées...... 101 5-3-2- Application des méthodes de détection des ruptures ...... 103 5-3-2-1 Résultats du test de Pettitt (1979)...... 104 5-3-2-2 Résultats de la procédure de segmentation de Hubert et Carbonnel (1987) . 105 5-3-2-3 Résultats de la méthode bayésienne de Lee et Heghinian (1977)...... 107 5-3-3- Comparaison des distributions de probabilité des gros évènements pluvieux.. 108 5-4- Variabilité pluviométrique à l’échelle spatiale ...... 111 5-4-1- Confection des données spatiales...... 111 5-4-2- Recherche de changement dans la série annuelle des surfaces couvertes par les fortes pluies ...... 111 5-4-3- Occurrence annuelle des fortes pluies...... 112 5-4-4- Homogénéité des distributions de probabilité des classes spatiales de pluie.... 114 5-5- Conclusion ...... 115
6. Présentation du modèle d’écoulements « MODCOU » et discrétisation de la zone d’étude...... 117 6-1- Description du modèle d’écoulement ...... 117 6-1-1- Le modèle Modcou...... 117 6-1-2- La fonction de production ...... 119 6-2- Choix de la date de référence et de la période d’étude ...... 121 6-3- Maillage et conditions aux limites de la zone d’étude...... 122
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) vii Sommaire
6-3-1- Maillage de la zone d’étude ...... 122 6-3-1-1- Maillage du système superficiel...... 122 6-3-1-2- Maillage du système souterrain ...... 123 6-3-2- Définition des conditions aux limites du système...... 123 6-4- Répartition spatiale des paramètres de la fonction de production ...... 125 6-4-1 Etat naturel...... 125 6-4-2- Aménagements...... 127 6-5- Prise en compte de la variabilité temporelle des paramètres ...... 129 6-6- Conclusion ...... 132
7. Modélisation des écoulements superficiels et souterrains du bassin du Merguellil 134 7-1- Reconstitution de l’état initial du système souterrain...... 134 7-1-1- Procédure de calage...... 134 7-1-2- Diagnostic...... 135 7-2- Procédure de recherche des séries optimales des paramètres en régime transitoire 137 7-2-1- Paramètres de la fonction de production...... 137 7-2-1-1- Domaine de variation des paramètres CRT, DCRT et FN...... 138 7-2-1-2- Génération stochastique des paramètres CRT, DCRT et FN...... 139 7-2-2- Paramètres du modèle d’écoulement en zone saturée...... 139 7-2-3- Paramètres de l’échange nappe-rivière ...... 139 7-3- Calage monocritère basé sur la reconstitution de l’historique piézométrique ...... 139 7-4- Calage monocritère avec l’historique hydrométrique...... 144 7-4-1- Reconstitution des débits aux différentes stations hydrométriques ...... 144 7-4-1-1- Station hydrométrique de Skhira ...... 145 7-4-1-2- Station hydrométrique de Haffouz...... 146 7-4-1-3- Station hydrométrique de Zebbes ...... 146 7-4-1-4- Station hydrométrique de Sidi Boujdaria...... 146 7-4-1-5- Station d’El Haouareb...... 147 7-4-1-6- Conclusion ...... 147 7-4-2- Reconstitution globale des données hydrométriques ...... 148 7-5- Reconstitution multicritère des historiques hydrométrique et piézométrique ...... 150 7-5-1- Sélection des simulations optimales...... 150 7-5-2- Reconstitution des valeurs mesurées...... 157 6-5-3- Distribution des paramètres du modèle...... 158 7-5-4- Analyse des résidus ...... 162 7-5-5- Validation des paramètres du modèle ...... 166 7-6- Application à l’élaboration du bilan en eau du bassin du Merguellil ...... 168 7-7- Impact de la prise en compte des aménagements sur les éléments du cycle hydrologique...... 171 7-8- Evolution temporelle de la relation entre la nappe et les eaux de surface ...... 173 7-9- Analyse des séries chronologiques reconstituées ...... 176 7-10- Conclusion ...... 178 Conclusion générale ...... 181 Références bibliographiques ...... 186
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) viii Liste des figures
Figure 2.1 Localisation géographique de la zone d’étude...... 22 Figure 2.2 Carte des altitudes du bassin du Merguellil...... 23 Figure 2.3 Courbes hypsométriques des sous-bassins du Merguellil (Kingumbi, 1997)...... 25 Figure 2.4 Répartition des pentes en fonction des surfaces des sous-bassins du Merguellil ... 25 Figure 2.5 Répartition spatiale des entités pédologiques du bassin du Merguellil (Barbery et Mohdi, 1987 ; Mizouri et al ., 1990) et recomposées d’après le Tableau 2.3...... 28 Figure 2.6 Répartition spatiale des différentes occupations des sols du bassin du Merguellil 30 Figure 2.7 Chronologie d’implantation des banquettes dans le bassin du Merguellil, d’après Dridi (2000)...... 34 Figure 2.8 Localisation des lacs et barrages collinaires dans le bassin du Merguellil...... 35 Figure 2.9 Chronologie d’implantation des lacs et barrages collinaires dans le bassin du Merguellil : (a) nombre et (b) surface drainée par ces retenues d’eau...... 36 Figure 2.10 Pyramide des ages de la population du gouvernorat de Kairouan de l’année 1989 (DGAT, 1995)...... 39 Figure 3.1 Températures moyennes mensuelles de la zone d’étude (Kingumbi, 1997) ...... 41 Figure 3.2 Variabilité annuelle de l’Evapotranspiration potentielle (ETP) mensuelle à Kairouan (Bouzaiane et Lafforgue, 1986)...... 42 Figure 3.3 Evolution annuelle de l’évaporation au bac à la station de Fidh Ben Naceur ...... 42 Figure 3.4 Situation géographique des stations des mesures du bassin du Merguellil ...... 44 Figure 3.5 Nombre de stations pluviométriques en fonction de la durée d’observations annuelles sans lacunes...... 44 Figure 3.6 Découpage du bassin en zones d’influence pour le contrôle des stations pluviométriques...... 47 Figure 3.7 Représentation des stations pluviométriques présentant des anomalies par la méthode de double masse...... 48 Figure 3.8 Contrôle par la méthode de l’ellipse de Bois des stations présentant des anomalies par la méthode de double masse...... 49 Figure 3.9 Surfaces associées aux postes pluviométriques pour le calcul de la pluie moyenne des sous bassins du Merguellil...... 51 Figure 3.10 Répartition mensuelle des pluies du bassin versant du Merguellil limité au barrage d’El Haouareb (1966-1998) ...... 52 Figure 3.11 Distribution de la pluviométrie annuelle du bassin versant du Merguellil (1966- 1998)...... 53 Figure 3.12 Ecarts centrés réduits de la pluviométrie annuelle du bassin versant du Merguellil (1966-1998)...... 53 Figure 3.13 Couverture spatiale des zones météorologiques utilisées dans la modélisation du bassin de l’oued Merguellil...... 55 Figure 3.14 Réseau hydrographique et stations hydrométriques du bassin du Merguellil ...... 57 Figure 3.15 Comparaison journalière de la pluie moyenne sur les sous bassins des stations hydrométriques du Merguellil et des débits moyens mesurés à leurs exutoires .... 59 Figure 3.16 Comparaison pluie-volume des évènements sélectionnés à la station hydrométrique de Skhira (1974-1998) ...... 60 Figure 3.17 Comparaison pluie-volume des évènements sélectionnés à la station hydrométrique de Haffouz (1966-1998) ...... 61
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) ix
Liste des figures
Figure 3.18 Comparaison pluie-volume des évènements sélectionnés à la station hydrométrique de Sidi Boujdaria (1974-1986) ...... 62 Figure 3.19 Répartition annuelle de la lame mensuelle écoulée à la station hydrométrique de Skhira (1974-1998) ...... 63 Figure 3.20 Ecarts centrés réduits de la lame écoulée à la station hydrométrique de Skhira (1974-1998)...... 64 Figure 3.21 Répartition annuelle de la lame mensuelle écoulée à la station de Haffouz (1970- 1998)...... 65 Figure 3.22 Répartition annuelle de la lame mensuelle écoulée au barrage d’El Haouareb (1989-1998)...... 66 Figure 3.23 Evolution temporelle de la minéralisation des eaux du Merguellil aux stations de (a) Haffouz (b) Sidi Boujdaria (Hervieu, 2000)...... 67 Figure 3.24 Diagramme de Piper des eaux de l’oued Merguellil aux stations hydrométriques de Haffouz, Skhira et Zebbes ; ainsi qu’au barrage d’El Haouareb...... 68 Figure 4.1 Extension spatiale des principales nappes de la zone d’étude...... 71 Figure 4.2 Reconstitution de la carte des affleurements géologiques du bassin du Merguellil74 Figure 4.3 Corrélation litho-stratigraphique dans la cuvette de Bouhafna (coupe n° 3 de la Figure 4.2) ...... 77 Figure 4.4 Corrélation litho-stratigraphique couvrant les cuvettes de Bouhafna, Haffouz et Cherichira (coupe n° 1 de la Figure 4.2) ...... 78 Figure 4.5 Corrélation litho-stratigraphique dans le synclinal de Cherichira (coupe n° 4 de la Figure 4.2) ...... 78 Figure 4.6 Corrélation litho-stratigraphique dans la partie septentrionale de la cuvette d’Aïn Baïdha (coupe n° 5 de la Figure 4.2)...... 79 Figure 4.7 Corrélation litho-stratigraphique dans les parties centrale et méridionale de la cuvette d’Aïn Baïdha (coupe n° 2 de la Figure 4.2)...... 79 Figure 4.8 Situation des points d’eau (sondages et puits) et délimitation des aquifères du bassin du Merguellil en nappes phréatique et profonde...... 80 Figure 4.9 Carte de répartition spatiale des valeurs mesurées des transmissivités de la nappe phréatique du bassin du Merguellil ...... 81 Figure 4.10 Carte de répartition spatiale des valeurs mesurées des transmissivités de la nappe profonde du bassin du Merguellil...... 82 Figure 4.11 Distributions des transmissivités pour les nappes (a) phréatique et (b) profonde 83 Figure 4.12 Carte de répartition spatiale des valeurs mesurées des coefficients d’emmagasinement de la nappe profonde du bassin du Merguellil...... 83 Figure 4.13 Carte piézométrique de la nappe phréatique du bassin du Merguellil (1970) ...... 84 Figure 4.14 Carte piézométrique de la nappe profonde du bassin du Merguellil (1970)...... 85 Figure 4.15 Evolution chronologique des prélèvements dans la nappe phréatique du bassin du Merguellil (DGRE, 1985-2000) ...... 87 Figure 4.16 Evolution chronologique des prélèvements dans la nappe profonde du bassin du Merguellil...... 87 Figure 4.17 Localisation géographique des points d’eau pour lesquels nous disposons d’une chronologie des mesures piézométriques pour les nappes (a) phréatique et (b) profonde...... 88 Figure 4.18 Evolution chronologique du niveau piézométrique de la nappe phréatique...... 89 Figure 4.19 Evolution chronologique du niveau piézométrique de la nappe profonde ...... 90 Figure 4.20 Diagramme de Piper établi pour les eaux souterraines du bassin du Merguellil, dans les zones de Bouhafna, Cherichira, El Ala et Haffouz...... 92 Figure 5.1 Répartition spatiale des stations pluviométriques utilisées...... 94
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) x Liste des figures
Figure 5.2 Surfaces du bassin du Merguellil couvertes par les différentes classes de pluie dans l'épisode du 29 Mars 1977...... 97 Figure 5.3 Comparaison des surfaces des classes de pluie calculées avec 9 et 25 stations pluviométriques durant l’année hydrologique 1989/90 sur le bassin du Merguellil ...... 97 Figure 5.4 Indices d’Anomalies calculés sur les séries des pluies annuelles des stations pluviométriques de Sidi Saad, Sidi Hamada, Kairouan et Ouslatia...... 102 Figure 5.5 Indices d’Anomalies calculés sur les séries des pluies annuelles des stations pluviométriques de Haffouz, Kesra, Skhira et El Ala...... 102 Figure 5.6 Dates calculées par le test de Pettitt en fonction du nombre de ruptures obtenues avec un risque de première espèce égal à 50% ...... 105 Figure 5.7 Dates calculées par la méthode bayésienne de Lee et Heghinian en fonction du nombre de ruptures...... 107 Figure 5.8 Comparaison de l’indice ENSO (a) et des variables centrées réduites (b) calculées sur les pluies annuelles des stations de la Tunisie centrale...... 109 Figure 5.9 Distribution des classes des pluies journalières aux stations pluviométriques de Sidi Saad, Sidi Hamada, Kairouan et Ouslatia...... 109 Figure 5.10 Distribution des classes des pluies journalières aux stations pluviométriques de Haffouz, Kesra, Skhira et El Ala...... 110 Figure 5.11 Cumul annuel et indices d'anomalies des surfaces couvertes par les grands évènements pluvieux dans le bassin du Merguellil...... 112 Figure 5.12 Nombre annuel de stations utilisées pour sélectionner le nombre de jours durant lesquels l’isohyète 30 mm est détectée dans la zone d’étude (a) et la densité de probabilité à posteriori de la position du changement calculée à partir de cette variable (b) ...... 113 Figure 5.13 Densité de probabilité a posteriori de l’amplitude du changement calculée à partir du nombre de jours durant lesquels l’isohyète 30 mm est détectée dans la zone d’étude...... 113 Figure 5.14 Distributions cumulatives des pourcentages des surfaces couvertes par les classes de pluie pendant les grands évènements pluvieux ...... 114 Figure 6.1 Distributions empiriques du niveau statique et de la profondeur de tous les puits recensés pendant toute la période d’étude...... 118 Figure 6.2 Paramètres et variables d’état de la fonction de production standard du modèle MODCOU (Girard et al ., 1981)...... 120 Figure 6.3 Maillage, conditions aux limites du système souterrain et réseau de surveillance piézométrique du bassin du Merguellil...... 124 Figure 6.4 Précision des conditions aux limites utilisées pour le calage du système souterrain (a) à l’était initial et (b) en régime transitoire ...... 125 Figure 6.5 Dix sept entités issues de la superposition des classes pédologiques et d’occupations et leur subdivision en zones d’homogène production...... 127 Figure 6.6 Répartition spatiale des zones de production homogène issues de la superposition de l’occupation et de la nature des sols...... 128 Figure 6.7 La représentation pour chaque fonction de production initiale des superficies des mailles affectées par un changement avant et après la répartition des huit fonctions de production supplémentaires...... 130 Figure 6.8 Evolution temporelle des proportions de surface des fonctions de production initiales concernées par un changement et le type de changement intervenu...... 130 Figure 6.9 Distribution spatiale des fonctions de production sur la période 1996-1998 ...... 131 Figure 7.1 Comparaison des cartes piézométriques initiales (1970) de la nappe phréatique : (a) calculée à partir des mesures et (b) simulée par le modèle...... 135
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) xi Liste des figures
Figure 7.2 Comparaison des cartes piézométriques initiales (1970) de la nappe profonde : (a) calculée à partir des mesures et (b) simulée par le modèle...... 136 Figure 7.3 Bilan en eau des systèmes aquifères du bassin du Merguellil en 1970 ...... 137 Figure 7.4 Critères de performance piézométrique du modèle calculés pour 10000 simulations ...... 140 Figure 7.5 Comparaison des piézométries mensuelles mesurées et calculées (par 46 jeux de paramètres sélectionnés par le calage monocritère basé sur la piézométrie) sur quatre points représentatif des aquifères du bassin du Merguellil ...... 141 Figure 7.6 Box Plots du pourcentage de piézomètres dont le critère « Erreur absolue » est inférieur à un seuil, et ce pour les 46 meilleures simulations qui reconstituent la piézométrie...... 141 Figure 7.7 Comparaison des débits mensuels mesurés et calculés (par 46 jeux de paramètres sélectionnés sur la base du critère piézométrique) aux stations hydrométriques du bassin versant du Merguellil et pour les périodes 1978-1982 et 1986-1990...... 142 Figure 7.8 Box Plot des valeurs du critère « EXPO » calculées aux différentes stations hydrométriques à partir des 46 meilleures simulations de la reconstitution piézométrique...... 143 Figure 7.9 Visualisation des valeurs des paramètres des 46 simulations présentant les meilleurs critères « Erreur absolue » sur la piézométrie...... 144 Figure 7.10 Distribution des valeurs du critère « Expo » calculées au niveau des stations hydrométriques et pour les dix mille jeux de paramètres générés...... 145 Figure 7.11 Box Plot des valeurs du critère de performance EXPO calculées pour les 50 meilleurs jeux de paramètres sélectionnés aux différentes stations hydrométriques et comparaison avec les critères correspondant aux autres stations : (a) Skhira, (b) Zebbes, (c) Haffouz et (d) Sidi Boujdaria...... 146 Figure 7.12 Box Plot des valeurs du critère de performance EXPO calculées pour les 50 meilleurs jeux de paramètres sélectionnés à El Haouareb et comparaison avec les critères correspondant aux autres stations hydrométriques...... 147 Figure 7.13 Box Plot des valeurs du « critère global » calculées pour les 50 meilleurs jeux de paramètres sélectionnés pour les données hydrométriques, comparaison avec le critère EXPO correspondant aux différentes stations hydrométriques...... 149 Figure 7.14 Box Plots du pourcentage de piézomètres dont le critère « Erreur absolue » est inférieur à un certain seuil, et ce pour les 50 meilleures simulations reconstituant les débits...... 149 Figure 7.15 Distribution des valeurs du « critère global » calculées pour 10000 simulations en utilisant : (a) toutes les données, (b) les débits, et (c) les piézométries...... 150 Figure 7.16 Box Plot des valeurs du « critère EXPO » aux différentes stations hydrométriques calculées pour les 69 meilleures simulations du calage multicritère...... 151 Figure 7.17 Box Plots du pourcentage de piézomètres dont le critère « Erreur absolue » est inférieur à un seuil, et ce pour les 69 meilleures simulations de la reconstitution multicritère...... 153 Figure 7.18 Distributions empiriques des débits calculés par les 69 (a) et 16 (b) meilleurs jeux de paramètres sélectionnés à partir du calage multicritère...... 153 Figure 7.19 Comparaison, sur les périodes 1978-1982 et 1986-1990, des débits mensuels (aux différentes stations) mesurés et calculés par les 16 jeux de paramètres sélectionnés...... 157 Figure 7.20 Comparaison des piézométries mensuelles mesurées et calculées par les 16 jeux de paramètres sélectionnés sur quatre points représentatif des aquifères du Merguellil...... 158
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) xii Liste des figures
Figure 7.21 Représentation du critère global dans le plan des paramètres FN et CRT par fonction de production : (a) fonction « forêts », (b) fonction « argiles », (c) fonction « sables », (d) fonction « affleurements » et (e) fonction « banquettes »...... 159 Figure 7.22 Représentation du critère global dans le plan des paramètres FN et DCRT par fonction de production : (a) fonction « forêts », (b) fonction « argiles », (c) fonction « sables », (d) fonction « affleurements » et (e) fonction « banquettes »...... 160 Figure 7.23 Représentation du critère global dans le plan des paramètres CRT et DCRT par fonction de production : (a) fonction « croûtes », (b) fonction « forêts », (c) fonction « argiles », (d) fonction « sables », (e) fonction « affleurements » et (f) fonction « banquettes »...... 160 Figure 7.24 Comparaison des valeurs des paramètres CRT et DCRT issues de la littérature et celles issues des 16 et 69 meilleures solutions sélectionnées d’après le calage multicritère...... 161 Figure 7.25 Valeurs des paramètres CRT et DCRT générées aléatoirement et localisations de celles des jeux de paramètres présentant un meilleur critère global pour chaque fonction de production : (a) fonction « croûtes », (b) fonction « forêts », (c) fonction « argiles », (d) fonction « sables », (e) fonction « affleurements » et (f) fonction « banquettes »...... 162 Figure 7.26 Débits mesurés en fonction des débits calculés à toutes les stations hydrométriques du bassin du Merguellil...... 163 Figure 7.27 Rabattements mesurés en fonction des rabattements calculés à toutes les stations piézométriques du bassin du Merguellil...... 163 Figure 7.28 Relation entre les résidus et les débits calculés aux différentes stations hydrométriques du bassin du Merguellil : (a) Skhira, (b) Haffouz, (c) Zebbes, (d) Sidi Boujdaria et (e) El Haouareb...... 164 Figure 7.29 Relation entre les résidus et les rabattements calculés à toutes les stations piézométriques du bassin du Merguellil...... 165 Figure 7.30 Relation entre les résidus et les rabattements calculés à quelques stations piézométriques du bassin du Merguellil : (a) Bir Triaa Ben Fredj (région d’Aïn Baïdha), (b) Piézomètre PL1 (région de Bouhafna), (c) Piézomètre Cherichira III (région de Cherichira), et (d) Bir El Adhine (région de Haffouz)...... 166 Figure 7.31 Auto corrélation entre les valeurs mensuelles calculées par le modèle : (a) à la station piézométrique KT5 et (b) à la station hydrométrique de Haffouz...... 166 Figure 7.32 Comparaison des valeurs mesurées et calculées (au pas de temps de 5 jours) par les 16 jeux de paramètres pendant l’année hydrologique 1969/70...... 167 Figure 7.33 Box Plot des valeurs du critère de performance EXPO calculées (par les 16 meilleurs jeux de paramètres sélectionnés) en période de validation sur l’année hydrologique exceptionnelle 1969/70 et à la station hydrométrique de Haffouz. 167 Figure 7.34 (a) Estimation des éléments du bilan interannuel du bassin du Merguellil sur la période 1970-1998 et sa comparaison avec (b) un scénario sans prélèvements dans les nappes...... 168 Figure 7.35 Evolution temporelle des écarts à la moyenne des éléments du bilan superficiel du bassin du Merguellil...... 169 Figure 7.36 Evolution temporelle de la lame écoulée simulée aux différentes stations hydrométriques du bassin versant du Merguellil ...... 169 Figure 7.37 Lames moyennes (mm) écoulées et simulées aux différentes stations hydrométriques sur les périodes 1970-1977 (souligné) et 1977-1998 (gras)...... 170
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) xiii Liste des figures
Figure 7.38 Comparaison des distributions du « critère global », calculées en calage multicritère et pour 10000 simulations qui tiennent compte et pas des aménagements CES...... 172 Figure 7.39 Comparaison de l’impact des ouvrages CES sur les éléments du bilan dans le bassin versant du Merguellil pour : (a) le ruissellement, (b) l’infiltration, (c) l’écoulement et (d) le drainage de la nappe par les oueds...... 172 Figure 7.40 Evolution des débits de drainage de la nappe phréatique par les oueds ...... 174 Figure 7.41 (a) Evolution temporelle de la minéralisation des eaux de l’oued Merguellil à la station hydrométrique de Sidi Boujdaria et (b) sa comparaison avec les débits drainés des aquifères par les oueds...... 174 Figure 7.42 Evolution des débits des sources provenant de la nappe profonde...... 175 Figure 7.43 Evolution de l’alimentation de la nappe profonde par l’oued Merguellil lors de son passage sur les grès oligocènes de Bouhafna ...... 176 Figure 7.44 Ruptures détectées dans la variable contribution du ruissellement dans l’écoulement...... 177 Figure 7.45 Ruptures détectées dans la variable contribution du drainage dans l’écoulement ...... 178
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) xiv Liste des tableaux
Tableau 1.1 Estimation mondiale des quantités d’eau présentent dans les différents compartiments du cycle de l’eau à chaque instant (UNESCO, 1978) ...... 5 Tableau 1.2 Estimation du flux annuel pour la totalité de la Terre (De Marsily, 2000) ...... 5 Tableau 1.3 Vitesse de circulation et ordre de renouvellement dans les différents compartiments du cycle de l’eau (Banton et Bangoy, 1997) ...... 6 Tableau 1.4 Distinctions entre les processus de génération du ruissellement (Wotling, 2000). 9 Tableau 2.1 Caractéristiques morphologiques des sous-bassins du Merguellil (Kingumbi, 1997)...... 24 Tableau 2.2 Classification des différentes entités pédologiques du bassin du Merguellil (Barbery et Mohdi, 1987 ; Mizouri et al ., 1990)...... 26 Tableau 2.3 Classification en unités homogènes des différentes entités pédologiques du bassin du Merguellil...... 29 Tableau 2.4 Chronologie d’évolution des superficies du bassin du Merguellil aménagées en banquettes...... 33 Tableau 2.5 Quelques caractéristiques des lacs et barrages collinaires implantés dans le bassin du Merguellil...... 37 Tableau 2.6 Indications sur l’évolution de la population de la région d’étude (DGAT, 1992 ; DGAT, 1995) ...... 38 Tableau 3.1 Périodes d’observation des stations pluviométriques de la zone d’étude ...... 45 Tableau 3.2 Périodes d’observations des stations pluviographiques de la zone d’étude ...... 45 Tableau 3.3 Correspondance entre les stations pluviométriques et leurs zones de référence.. 47 Tableau 3.4 Caractéristiques des données annuelles des stations pluviométriques sélectionnées pour cette étude ...... 50 Tableau 3.5 Caractéristiques des pluies moyennes annuelles (1966-1998) des sous bassins du Merguellil...... 52 Tableau 3.6 Pourcentages des classes d’intensités correspondant aux différentes stations pluviographiques (Dridi, 2000)...... 54 Tableau 3.7 Comparaison saisonnière des proportions d’intensités supérieures à 30 mm/h aux différentes stations pluviographiques (Dridi, 2000)...... 54 Tableau 3.8 Périodes d’observation des principales stations hydrométriques du bassin versant du Merguellil...... 58 Tableau 5.1 Comparaison des apports de l’oued Merguellil aux stations hydrométriques...... 94 Tableau 5.2 Caractéristiques des stations pluviométriques utilisées dans l’approche locale... 95 Tableau 5.3 Variables utilisées dans l’approche locale...... 96 Tableau 5.4 Ecart type des pluies annuelles (mm) des stations à différentes périodes...... 103 Tableau 5.5 Etude du caractère aléatoire des variables calculées aux différentes stations.... 103 Tableau 5.6 Etude du caractère normal des variables calculées aux différentes stations. Les transformations logarithmique (Log), par racine carrée (RC) et par la méthode de Box et Cox (BC) adoptées pour chaque variable et qui ont permis de vérifier ce caractère ...... 104 Tableau 5.7 Dates de rupture détectées par la procédure de segmentation de Hubert (en gras italique) et par la méthode bayésienne de Lee et Heghinian (soulignées) ...... 106 Tableau 5.8 Classes de pluies sélectionnées pour l’approche spatiale...... 111 Tableau 5.9 Comparaison des valeurs médianes du pourcentage des superficies couvertes par chaque classe de pluie dans les différentes périodes sélectionnées ...... 115
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) xv
Liste des tableaux
Tableau 6.1 Périodes d’observation des principales données de la zone d’étude...... 122 Tableau 6.2 Entités pédologiques retenues pour le bassin du Merguellil ...... 126 Tableau 6.3 Différentes occupations des terres du bassin du Merguellil...... 126 Tableau 6.4 Entités d’homogène production retenues pour le bassin du Merguellil ...... 127 Tableau 6.5 Description des fonctions de production supplémentaires issues de la chronologie d’implantation des aménagements CES sur le bassin du Merguellil ...... 129 Tableau 6.10 Chronologie des différents types de fonctions de production utilisées et l’étendue de leur couverture spatiale (Km²) sur le bassin du Merguellil ...... 132 Tableau 7.1 Sorties par les sources de la nappe profonde du bassin du Merguellil...... 136 Tableau 7.2 Drainage de la nappe phréatique par les oueds du bassin du Merguellil ...... 137 Tableau 7.3 Valeurs des paramètres CRT, DCRT et FN issues de la littérature ...... 138 Tableau 7.4 Caractéristiques statistiques du critère « Erreur absolue » calculées pour les différentes nappes du bassin du Merguellil...... 140 Tableau 7.5 Débits moyens des cours d’eau (m 3/s) et critères « EXPO » pour les 46 simulations sélectionnées ...... 143 Tableau 7.6 Coefficients (Wj) affectés aux différentes stations hydrométriques pour calculer le « critère global » en monocritère et en multisite...... 148 Tableau 7.7 Coefficients (Wi) affectés aux différentes stations piézométriques pour le calcul du critère global de performance...... 152 Tableau 7.8 Pourcentage de gain, du « critère global » calculé sur les débits et apporté par la sélection de 16 au lieu de 69 jeux de paramètres ...... 153 Tableau 7.9 Pourcentage de gain, apporté par la sélection de 16 au lieu de 69 simulations, de piézomètres où le critère « Erreur absolue » est inférieur à un certain seuil,... 154 Tableau 7.10 Valeurs numériques du « Critère global » calculées à partir des 16 jeux de paramètres sélectionnés et pour les différentes données mesurées...... 154 Tableau 7.11 Pourcentages de piézomètres où le critère « Erreur absolue » calculé à partir des 16 jeux de paramètres sélectionnés est supérieur à un certain seuil ...... 155 Tableau 7.12 Comparaison des critères calculés à partir de la médiane et de la moyenne des débits calculés par les 16 jeux de paramètres sélectionnés ...... 156 Tableau 7.13 Comparaison des critères calculés à partir de la médiane et de la moyenne des piézométries calculées par les 16 jeux de paramètres sélectionnés ...... 156 Tableau 7.14 Dates détectées dans les valeurs reconstituées des différents éléments du cycle hydrologique par les méthodes de détection de changements dans les séries chronologiques ...... 177
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) xvi Sigles et abréviations BIRH : Bureau d’Inventaire des Ressources Hydrologiques CES : Conservation des Eaux et des Sols CIG : Centre d’Informatique Géologique CRDA : Commissariat Régional au Développement Agricole DCES : Direction de Conservation des Eaux et des Sols DEA : Diplôme d’Etudes Approfondies DAA : Diplôme Approfondi en Agronomie DGAT : Direction Générale de l’Aménagement du Territoire DG/ACTA : Direction Générale de l’Aménagement et de la Conservation des Terres Agricoles
DG/EGTH : Direction Générale des Etudes et Grands Travaux Hydrauliques
DGRE : Direction Générale des Ressources en Eaux
DRE : Direction des Ressources en Eaux DTH : Document Technique en Hydrologie
EGS : Engineering and General Services
EIER : Ecole Inter-Etats du génie Rural
ENGEES : Ecole Nationale du Génie en Eau et Environnement de Strasbourg
ENIT : Ecole Nationale d’Ingénieurs de Tunis
ENSA : Ecole Nationale Supérieure d’Agriculture
ENSAR : Ecole Nationale Supérieure d’Agriculture de Rennes
ENSMP : Ecole Nationale Supérieure des Mines de Paris
EPFL : Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne
ESIER : Ecole Supérieure des Ingénieurs en Equipement Rural
ETP : Evaporation et Transpiration Potentielles
ETR : Evaporation et Transpiration Réelles
FST : Faculté des Sciences de Tunis
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Sigles et abréviations
HYDRAM : Laboratoire d’Hydrologie et Aménagements
IAHS : International Association of Hydrological Science
IGNF : Institut Géographique National Français
INAT : Institution Nationale Agronomique de Tunisie
INM : Institut National de la Météorologie
IRD : Institut de Recherche pour le Développement
IRESA : Institution de Recherche et Enseignement des Sciences Agricoles
ISIM : Institut des Sciences de l’Ingénieur de Montpellier
ISTE : Institut des Sciences et Technologies de l’Environnement
LMHE : Laboratoire de Modélisation en Hydraulique et Environnement
MERGUSIE : Merguellil Usage Intégré de l’Eau
MNT : Modèle Numérique du Terrain
MSE : Maison des Sciences de l’Eau
NATO : North Atlantic Organisation
OMM : Organisation Mondiale de la Météorologie
ONM : Office National des Mines
ORSTOM : Office de Recherche Scientifique et Technique d’Outre Mer
OTC : Office Tunisienne de la Cartographie
PHI : Programme Hydrologique International
SHE : Système Hydrologique Européen
SERST : Secrétariat d’Etat à la Recherche Scientifique et Technologique
SIG : Système d’Information Géographie
SONEDE : Société Nationale d’Exploitation et de Distribution des eaux
UNESCO : United Nations Education and Science Organization
UTM : Universal Transverse Mercator
WMO : World Meteorological Organization
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) xviii
Introduction générale
Le bassin versant de l’oued Merguellil est situé en Tunisie centrale, zone caractérisée par un climat semi-aride. C’est un bassin assez bien suivi sur le plan hydrométéorologique. En effet, à la fin des années 1990 une trentaine de stations pluviométriques dont certaines datent du début du siècle étaient opérationnelles sur ce bassin. Une bonne partie de ces stations a vu le jour au courant des années 1960, en même temps que les premières observations pluviographiques et hydrométriques qui ont commencé entre 1965 et 1974. Il existe aussi un bon réseau d’observation piézométrique des principales nappes en liaison avec cet oued. Des documents sur le suivi de l’évolution du niveau piézométrique et des prélèvements sont d’ailleurs édités chaque année pour la nappe profonde et chaque cinq ans pour la nappe phréatique par la Direction Générale des Ressources en Eau (DGRE). La Tunisie centrale étant drainée par trois principaux oueds (Merguellil, Nebhana et Zeroud), il fallait choisir un bassin qui soit représentatif de cette région. Le bassin du Zeroud étant très grand (environ 10000 Km²), celui de Nebhana étant situé sur la limite Nord de cette région, le choix a été porté sur le bassin du Merguellil intermédiaire entre ces deux bassins et dont la taille est moyenne pour bien caractériser ses ressources. Le Merguellil a été aussi choisi pour son important réseau des mesures hydrométéorologiques. De nombreuses études ont été menées sur ce bassin et ont principalement porté sur l’hydrologie et le transport solide (Kallel et al ., 1975 ; Ayadi, 1986 ; Bouzaiane et Laforgue, 1986 ; Kebaili-Bargaoui, 1990 ; Kingumbi, 1997 ; Rabhi, 1997 ; Tchatabga, 1998 ; Saada, 2005), les aménagements de Conservation des eaux et des Sols (DCES, 1986 ; Mzali, 1995 ; DCES, 1996, Dhaouadi, 1998), la modélisation hydrologique des sous bassins (Dhaoui, 1998 ; Gogien, 1998 ; Ben Nosra et Elleuch, 1999 ; Lebdi et al ., 2001 ; Cudennec et al ., 2002 ; Nasri et al ., 2004), l’hydrogéologie de certaines nappes (Besbes, 1967 ; Hamza, 1976 ; Besbes, 1978 ; Cheib, 1988 ; Nazoumou, 1996 ; Gribaa, 1997 ; Baba Sy, 1999 ; Nazoumou, 2002), l’étude du fonctionnement et de la gestion du barrage d’El Haouareb situé à l’exutoire de ce bassin (Smaoui, 1984 ; Smaoui, 1986 ; Hedhli, 1997 ; Ibrahim, 1997 ; Kingumbi, 1999), et le fonctionnement socio-économique des exploitations agricoles dans la région d’étude (Kefi, 1999 ; Lardilleux, 2000 ; Faysse et al ., 2001 ; Feuillette, 2001 ; Feuillette et al ., 2001). Le Merguellil est en somme, depuis plus d’une décennie, considéré comme un bassin pilote pour l’étude des ressources en eau de la Tunisie centrale. Le projet intitulé « MERGUSIE (Merguellil Usage Intégré de l’Eau)», qui s’occupe de la gestion intégrée de l’eau sur ce bassin, a été lancé (en 1996) avec un financement du SERST par la Direction Générale des
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Ressources en Eau (DGRE) en partenariat de plusieurs institutions tunisiennes dont l’ENIT et l’Institut de Recherche pour le Développement (IRD). Dans le cadre de ce projet, deux axes de recherches ont été menés en parallèle. Le premier a concerné l’amélioration de la connaissance de toutes les ressources disponibles dans le bassin du Merguellil (Kingumbi, 1999 ; Baba Sy, 1999 ; Nazoumou, 2002 ; Jarraya-Horriche, 2003). Le second axe de recherche s’est focalisé sur les modalités de leur gestion optimale (Faysse et al ., 2001 ; Feuillette et al ., 2001 ; Lebdi et al ., 2001). Ce travail se situe dans le premier axe de recherche et contribue à mettre en valeur les connaissances acquises au niveau des sous bassins pour élaborer un modèle d’ensemble d’estimation des ressources en eau. Par suite, son objectif est de décrire la répartition spatiale et temporelle des ressources pluviales, et des ressources en eau superficielles et souterraines. Nous avons espoir que ce modèle pourra être utilisé dans les prises de décision en ce qui concerne la gestion de ces ressources et qu’il permettra d’aider les chercheurs embarqués dans le deuxième axe de recherche à évaluer les scénarios de gestion réalistes, en partant des estimations ainsi élaborées. Cette thèse consiste donc en la modélisation du cycle de l’eau dans un bassin d’abord en écoulement naturel, puis aménagé, pour d’une part améliorer la connaissance des principaux mécanismes intervenant dans la genèse des écoulements et la recharge des nappes, et d’autre part pouvoir évaluer en n’importe quel site les apports en surface et souterrains ainsi que l’impact des différents aménagements. Une approche statistique est d’abord mise en œuvre à l’échelle locale et régionale pour détecter les changements de moyenne et évaluer les ressources pluviales (entrée du modèle hydrologique) à l’aide d’une méthode d’interpolation. En raison de l’étendue du bassin et de l'hétérogénéité du milieu, le modèle hydrologique le mieux adapté serait un modèle distribué, ce qui devrait faciliter son interfaçage avec un modèle de gestion. L'identification des transferts entre aquifères ou entre ressources de surface et souterraines nécessite un modèle couplé. Une partie des interactions entre les différentes nappes et l’oued Merguellil ou entre la nappe d’Aïn Baïdha et la retenue d’El Haouareb ont déjà fait l’objet des travaux antérieurs (Gribaa, 1997 ; Kingumbi, 1999). La méthode d'estimation des paramètres du modèle devra pouvoir tenir compte de l’impact des nombreux aménagements de Conservation des Eaux et des Sols (CES) mis en place depuis une trentaine d'années et intégrer l'effet des prélèvements d’eau à buts agricoles et d’alimentation en eau potable. Ce travail est présenté en six parties. Dans la première partie une revue bibliographique est présentée sur les méthodes statistiques de détection des changements ainsi que sur la modélisation hydrologique. Nous y précisons les différentes approches de modélisation
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Introduction générale existantes ainsi que les raison de choix du modèle utilisé. Dans la deuxième partie le cadre général de la zone d’étude ainsi que les différentes mesures et données utilisées dans cette étude sont présentés. Ces données concernent la topographie, le climat, la pluviométrie, les données hydrométriques, ainsi que les différents aménagements de conservation des eaux et des sols. L’analyse des données du système souterrain en vue de la modélisation hydrogéologique fait l’objet de la troisième partie. Nous y proposons la géométrie et la communication des différents aquifères en liaison dans ce bassin ainsi que les différentes données nécessaires à la modélisation hydrogéologique. Après la présentation de toutes les données de la zone d’étude, une étude sur l’évolution temporelle de la pluviométrie de la région est menée dans la quatrième partie, pour faire la part entre les influences climatique et anthropique sur les ressources en eau de ce bassin. En effet ce bassin ayant connu une baisse des écoulements entre 1989 et 1998, le but est de chercher la part de la variabilité pluviométrique dans ce phénomène. La cinquième partie est consacrée à la présentation du modèle hydrologique, la discrétisation de la zone d’étude et la définition des conditions aux limites pour la mise en œuvre du modèle, la définition des fonctions de production ainsi qu’à la prise en compte des aménagements de conservation des eaux et des sols dans la discrétisation temporelle des paramètres de production. Dans la dernière partie une modélisation couplée des écoulements superficiels et souterrains est entamée. Nous essayons de prendre en compte toutes les sollicitations (climatiques et anthropiques) que le bassin du Merguellil a dû subir. Nous commençons par la restitution du système en régime non perturbé qui représente un état initial avant qu’il ne soit affecté par différentes sollicitations. Ensuite une modélisation tenant compte des différentes perturbations du système est effectuée sur la période d’étude choisie. Il s’agit d’essayer de restituer les historiques piézométriques et hydrométriques observés tout en tenant compte des différents changements des états de surface du bassin induits par l’implantations des aménagements de Conservation des Eaux et des Sols. L’exploitation des résultats nous permet de faire la part des choses entre les principales causes qui sont à l’origine de la baisse enregistrée des écoulements du bassin du Merguellil.
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 3 1. Etat de l’art sur l’étude de la variabilité dans la modélisation du cycle de l’eau 1-1- Le cycle de l’eau
L’eau constitue, de loin, l’élément le plus abondant de notre planète. C’est le constituant principal des êtres vivants et la plus grande force de la nature, qui sans cesse régule la forme de la surface de la terre. Elle constitue aussi un facteur clé dans la définition des conditions atmosphériques et joue un rôle primordial dans le progrès et le développement des civilisations. L’eau existe sur la planète Terre, dans la partie appelée « Hydrosphère » qui s’étend jusqu’à environ 15 Km dans l’atmosphère et 1 Km dans la lithosphère. L’eau circule dans l’hydrosphère à travers différents compartiments qui constituent son cycle. Le cycle de l’eau a fait l’objet d’études depuis fort longtemps. Dans la Grèce antique les gens considéraient que le cycle de l’eau se faisait par descente (L’Hôte, 1990). Ils supposaient que l’océan se vidait de son eau en profondeur vers les continents, qu’elle se purifiait en traversant les couches de la Terre et qu’elle remontait jusqu’aux sources et rivières. A cette époque le concept d’évaporation n’avait pas encore vu le jour, ils attribuaient la présence des nuages à la colère de Zeus. Perrault (au 17ème siècle) et Halley (entre le 17ème et le 18ème siècle) furent les premiers à démontrer le cycle de l’eau par ascension : l’eau évaporée des océans et de la surface de la terre est transportée vers l’atmosphère où elle se condense et tombe sous forme de précipitations. Le gros de ces précipitations retombe sur les océans et une partie sur les continents. L’eau précipitée sur les continents peut être interceptée par la végétation, ruisseler sur les versants, s’infiltrer profondément pour rejoindre les nappes, s’écouler dans le sol comme écoulement hypodermique, ou se condenser en écoulement en rivières (Chow et al., 1988). Le gros de l’eau interceptée et du ruissellement de surface retourne en atmosphère par évaporation, tandis que l’eau infiltrée peut percoler en profondeur pour alimenter les nappes et finalement ressortir comme sources et alimenter les rivières qui se vident dans les océans. Ainsi le cycle continue de plus bel par l’évaporation vers l’atmosphère des eaux de surface. L’estimation des quantités d’eau dans les différentes étapes du cycle de l’eau a été l’une des majeures préoccupations des hydrologues depuis la moitié du 19ème siècle. Cependant beaucoup de données manquent, en particulier sur les océans (Le Provost, 2000), de ce fait les quantités dans les différents compartiments du cycle de l’eau restent connues de façon grossière. Le Tableau 1.1 donne une estimation des quantités d’eau dans ses différentes formes sur la Terre. Il montre que la quasi-totalité des eaux de cette planète résident dans les océans (96,5% de toutes les eaux de la Terre). Le reste est constitué essentiellement de l’eau souterraine (1,7% de toutes les eaux de la Terre) et de la calotte polaire (1,7% de toutes les eaux de la Chapitre I : Etat de l’art sur l’étude de la variabilité et de la modélisation du cycle de l’eau
Terre). L’eau contenue dans les lacs, les rivières les marais et l’atmosphère ne constituerait que moins de 0.1% de la totalité d’eau sur la planète Terre. On constante aussi que sur la totalité des eaux continentales, l’eau potable constitue plus de 70%. La quasi-totalité de cette eau (potable) est renfermée dans les calottes polaires (69% de l’eau potable) et les nappes souterraines (30% de l’eau potable). Les rivières, les autres glaciers et les lacs d’eau douce ne représentent que 1% de la totalité d’eau potable. Tableau 1.1 Estimation mondiale des quantités d’eau présentent dans les différents compartiments du cycle de l’eau à chaque instant (UNESCO, 1978) Superficie Volume Pourcentage (%) Pourcentage (%) Compartiments (106 km²) (km3) de l¶eau total de l¶eau potable Océans 361.3 1338000000 96.5000 Eaux souterraines Potables 134.8 10530000 00.7600 30.100 Salines 134.8 12870000 00.9300 Humidité du sol 082.0 16500 00.0012 00.050 Glaciers polaires 016.0 24023500 01.7000 68.600 Autres glaciers 000.3 340600 00.0250 01.000 Eaux des lacs Potables 001.2 91000 00.0070 00.260 Salines 000.8 85400 00.0060 Eaux des marécages 002.7 11470 00.0008 00.030 Eaux des rivières 148.8 2120 00.0002 00.006 Eaux biologiques 510.0 1120 00.0001 00.003 Eau atmosphérique 510.0 12900 00.0010 00.040 Total des eaux 510.0 1385984610 100.0000 Total eaux potables 148.8 35029210 02.5000 100.000 Cette vision statique des quantités d’eau se trouvant dans les différentes composantes du cycle de l’eau ne donne qu’une idée partielle de ce dernier. Il faut y rajouter la vision dynamique matérialisée de façon plus visible par l’évaporation et les précipitations. Le Tableau 1.2 montre qu’une partie de l’évaporation des océans alimente les précipitations sur les continents. Tableau 1.2 Estimation du flux annuel pour la totalité de la Terre (De Marsily, 2000) Sur les continents 71000 km3/an Evaporation Sur les océans 411000 km3/an Sur les continents 111000 km3/an Précipitations Sur les océans 385000 km3/an La circulation de l’eau entre les différents éléments de son cycle se fait de façons très différente et avec des vitesses très disparates (Tableau 1.3). C’est ainsi qu’une goutte d’eau séjourne en moyenne 8 jours dans l’atmosphère (le temps entre son évaporation et sa précipitation), alors qu’une autre peut faire une centaine d’années dans le transfert souterrain (entre le moment où elle s’infiltre dans le sol et celui où elle atteint l’océan). D’autre part, le cycle de l’eau est en réalité composé de plusieurs cycles continentaux,
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 5 Chapitre I : Etat de l’art sur l’étude de la variabilité et de la modélisation du cycle de l’eau régionaux et locaux qui sont interconnectés pour former un cycle global (Chow et al., 1988). Ce qui fait que, bien que le volume total de l’eau dans le cycle global de l’eau reste approximativement constant, la distribution de cette eau change continuellement sur les continents, dans les régions et dans les bassins versants. Tableau 1.3 Vitesse de circulation et ordre de renouvellement dans les différents compartiments du cycle de l’eau (Banton et Bangoy, 1997) Vitesse de Temps de séjour Renouvellement (km3/an) Compartiment circulation (année) phénomène quantité Océans et eaux salées m/s 1000 - 10000 évaporation 350 Glaciers et calottes m/an 100 - 1000 évaporation et fonte très faible Eaux souterraines m/an 100 - 10000 écoulement et vaporisation 12 Lacs et plans d¶eau m/s 10 - 100 écoulement Inclus aux rivières évaporation 70 Humidité du sol m/mois 1.1 - 1 infiltration 12 Atmosphère m/s 0.01 - 0.1 précipitation 420 Rivières m/s 0.01 - 0.1 écoulement 40
1-2- Modélisation de la variabilité du cycle de l¶eau 1-2-1- Variabilité ou changement climatique Un changement climatique suppose la dégradation à long terme des valeurs moyennes des caractéristiques statistiques des variables étudiées sur des périodes de longue durée. Cette notion diffère de celle de la variabilité climatique qui suppose la stationnarité et décrit la fluctuation des valeurs saisonnières ou annuelles par rapport aux valeurs temporelles de référence (Ouarda et al., 1999). Plusieurs manifestations climatiques récentes de grande ampleur ont poussé la communauté scientifique mondiale à s’intéresser aux changements climatiques et à leurs conséquences socio-économiques. Parmi ces manifestations on peut citer : la couverture spatiale et le cubage des grands glaciers qui ne cessent de diminuer depuis quelques décennies, la sécheresse qui a touché les deux bandes tropicales de notre planète (surtout les régions sahéliennes d’Afrique de l’ouest) depuis les années 70 (Sircoulon, 1976), la récurrence plus importante des phénomènes d’El Niño (Vandiepenbeeck, 1998) et le constat mis en évidence par l’Organisation Mondiale de la Météorologie (OMM) sur le réchauffement de la planète de 0.5 °C depuis la moitié du siècle dernier (Cantat, 1995). La mesure précise de diverses données et leur interprétation statistique font partie des principales résolutions prises par la communauté scientifique en vue d’améliorer la compréhension des phénomènes climatiques. 1-2-2- Variables étudiées pour caractériser l¶évolution du climat Le cycle de l’eau étant l’une des manifestations majeures du climat, son suivi permet d’appréhender certains aspects d’évolution du climat. Ainsi Mitosek indique que les éléments les plus appropriés pour le suivi du climat sont (Ouarda et al., 1999) : les débits des rivières,
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 6 Chapitre I : Etat de l’art sur l’étude de la variabilité et de la modélisation du cycle de l’eau les niveaux des lacs, les précipitations, les températures de l’air et de l’eau, les dates de rupture du couvert de glace, la durée du couvert de glace et le niveau des eaux souterraines. Parmi ces éléments, la pluviométrie constitue l’élément le plus accessible par les mesures dans diverses régions du monde à partir duquel plusieurs variables peuvent être déduites et étudiées. Parmi lesquelles on peut citer : la pluviométrie annuelle (Hubert et Carbonnel, 1987), la pluviométrie saisonnière (Kingumbi et al., 2005a), le nombre de jours de pluie (Servat et al., 1999), les fortes intensités de pluie (Tarhule et Woo, 1998), l’étendue couverte par les pluies (Kingumbi et al., 2005a), la durée de la saison pluvieuse (Bello, 1998), etc. Ces éléments ont été étudiés dans diverses régions de la planète pour essayer de détecter d’éventuels signes de changement climatique. En Afrique sahélienne et non sahélienne beaucoup d’auteurs ont mis en évidence, à partir des séries hydro-pluviométriques, une phase sèche qui a débuté vers les années 1970 et qui a perduré jusqu’à la fin des années 1990. Dans cette région, il ressort de nombreuses études : une diminution de la pluviométrie annuelle (Hubert et Carbonnel, 1987 ; Moron, 1994 ; Paturel et al., 1995 ; Paturel et al., 1997 ; Servat et al., 1997 ; Tarhule et Woo, 1998 ; Servat et al., 1999) ; du nombre de jours de pluie (Paturel et al., 1997 ; Servat et al., 1997 ; Houndénou et Hernandez, 1998 ; Tarhule et Woo, 1998 ; Servat et al., 1999) ; et de l’occurrence des fortes intensités de pluie (Houndénou et Hernandez, 1998 ; Tarhule et Woo, 1998). Les débits des rivières (Sircoulon, 1987 ; Opoku- Ankomah et Amisigo, 1998) et les niveaux des lacs (Sircoulon, 1987) ont également baissé, et en même temps un raccourcissement de la saison pluvieuse a été mis en évidence par Bello (1998) et Servat et al. (1999). 1-2-3- Méthodes utilisées pour caractériser l¶évolution des éléments du cycle de l¶eau Les éléments du cycle hydrologique peuvent avoir trois principaux types de tendances (Berryman, 1984) : une tendance monotone (croissante ou décroissante), une tendance en saut et une tendance en escalier. Divers tests ont été développés pour détecter ces tendances dans les séries temporelles (WMO, 1966 ; Berryman 1984 ; Cavadias, 1994 ; Lubès et al., 1994). Dans cette étude nous nous intéressons particulièrement à une tendance en saut des variables hydrologiques qui peut être modélisée en considérant deux types de modifications : un changement de la moyenne et un changement de la variance (Coles, 2001). Trois méthodes, que nous utiliserons dans la suite, sont adaptées à l’étude du changement dans la moyenne et ont été largement appliquées. Il s’agit du test de Pettitt (1979), de la procédure de segmentation des séries hydropluviométriques de Hubert et Carbonnel (1987) et de la procédure bayésienne de Lee et Heghinian (1977). Comme tous les tests statistiques, ces trois méthodes permettent d’affirmer ou d’infirmer une hypothèse nulle (H0). Le rejet (non rejet) de cette hypothèse nulle (H0) implique l’acceptation (non acceptation) d’une hypothèse alternative (H1). Deux types d’erreurs peuvent être alors commises (Berryman, 1984) :
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 7 Chapitre I : Etat de l’art sur l’étude de la variabilité et de la modélisation du cycle de l’eau
- Erreur de type I (de probabilité a) : le rejet de l’hypothèse nulle (H0) alors qu’elle est vraie ou l’acceptation de l’hypothèse alternative H1 alors qu’elle est fausse;
- Erreur de type II (de probabilité b) : l’acceptation de l’hypothèse nulle (H0) alors qu’elle est fausse ou le rejet de l’hypothèse alternative H1 alors qu’elle est vrai. L’application d’un test statistique quelconque nécessite habituellement la fixation de la probabilité a à 1% ou 5%, c’est le niveau ou seuil de signification de ce test. On appelle la puissance de ce test la quantité (1-b) qui est en fait la proportion de cas où l’on va rejeter l’hypothèse nulle alors qu’elle est fausse ou accepter H1 lorsqu’elle est vraie. On désigne aussi par la robustesse d’un test statistique la propriété par laquelle son résultat s’avère être indépendant du fait que ses conditions théoriques d’application sont ou ne sont pas vérifiées. Cette propriété peut être particulièrement utile aux hydrologues qui rencontrent souvent des difficultés pour vérifier la validité des conditions d’application de l’une ou l’autre méthode statistique mise en oeuvre (Lubes-Niel et al., 1998). 1-2-4- Usage des méthodes sur le bassin du Merguellil Les méthodes de détection des changement dans la moyenne (le test de Pettitt (1979) ; la procédure de segmentation des séries temporelles de Hubert et Carbonnel (1987) et la méthode bayésienne de Lee et Heghinian (1977)) seront utilisées dans le cinquième chapitre de cette étude sur les séries chronologiques des pluies calculées à l’échelle spatiale et locale. Elles seront aussi utilisées dans le dernier chapitre pour détecter d’éventuels changements dans les séries générées par le modèle hydrologique.
1-3- Modélisation hydrologique du cycle de l¶eau 1-3-1- Mécanismes de genèse d¶écoulement et de recharge des nappes Etudier le cycle de l’eau au niveau d’un bassin versant revient à étudier l’ensemble de ses composantes et leurs interactions. L’étude de la composante précipitation a été entreprise par le biais de l’analyse statistique. Celle des autres composantes (infiltration, évapotranspiration réelle, ruissellement et écoulement) sera réalisée par le biais de la modélisation hydrologique. L’eau continentale pouvant être localisée soit en surface soit dans le sous-sol, deux branches ont été développées séparément. Ces dernières étant, cependant, intimement liés il convient de préciser, à l’amont de toute quantification des ressources en eau, l’influence de l’une sur l’autre. C’est ainsi que la connaissance des mécanismes de recharge des nappes revêt une importance capitale en hydrologie, particulièrement si les ressources en eau de surface sont limitées. D’autre part, l’écoulement des eaux de surface, se manifestant parfois par des inondations et des dégâts matériels considérables, plusieurs auteurs ont tenté d’étudier, ses différents mécanismes de genèse en liaison avec l’analyse du risque. 1-3-1-1- Mécanismes de genèse d’écoulement Le volume d’une crue peut être décomposé en trois principales parties : le ruissellement de
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 8 Chapitre I : Etat de l’art sur l’étude de la variabilité et de la modélisation du cycle de l’eau surface, l’écoulement hypodermique et l’écoulement de base (Réméniéras, 1965). L’importance de chacune de ces grandeurs dépend du milieu étudié, des conditions initiales de l’écoulement, et des caractéristiques de l’événement pluvieux (distribution spatio- temporelle, intensité et volume). 1-3-1-1-a- Ruissellement de surface Les hydrologues distinguent classiquement deux processus de génération du ruissellement de surface : les processus de type hortonien (Horton, 1933 ; Beven, 2004) et les processus par excès de saturation. Le ruissellement hortonien ou ruissellement par refus d’infiltration apparaît lorsque l’intensité des précipitations dépasse la capacité d’infiltration du sol. Cette dernière évolue au cours de l’averse entre la capacité d’infiltration initiale et la capacité d’infiltration à saturation du sol. Contrairement au ruissellement hortonien qui se fait par dépassement de la capacité d’infiltration, le ruissellement par excès de saturation est généré par un dépassement de la capacité de stockage. Il a lieu lorsque le sol dépasse, durant une averse donnée, ses capacités de stockage et de transmission latérale et verticale du flux d’eau. Ce concept est lié a celui des zones contributives à superficie variable (Kirby, 1978) qui suppose que les zones saturées en eau augmentent au cours d’un événement pluvieux. Tableau 1.4 Distinctions entre les processus de génération du ruissellement (Wotling, 2000) Refus d¶infiltration Excès de saturation Seuil intensité volume Processus soustractif multiplicatif Origine saturation par le haut saturation par le bas Pédologie sol peu perméable sol perméable Localisation généralisé, versant localisé, dépression, talweg Climat zone aride zone humide Les distinctions élaborées par Wotling (2000) entre ces processus de génération de ruissellement sont résumées dans le Tableau 1.4. Chacun des deux processus de génération du ruissellement est fonction du type de climat. C’est ainsi que le modèle d’Horton est prédominant dans les régions arides tandis que celui d’excès de saturation est prépondérant dans les régions plus humides. Il est cependant nécessaire de préciser que ces deux processus peuvent avoir lieu sur un même bassin et pendant un même épisode pluvieux (Wotling, 2000). 1-3-1-1-b- Ecoulement hypodermique Ces écoulements sont désignés par différents termes (écoulements hypodermiques, écoulements sub-superficiels, écoulements rapides internes, inféroflux, subsurface flow, throughflow, interflow, etc.) du fait de l’incertitude sur les processus liés à leur genèse. Ils se font dans la partie superficielle du sol (zone non saturée). Il a été montré que pour les sols présentant une forte perméabilité (milieu forestier humide par exemple), les écoulements hypodermiques constituent la principale composante des crues (Hewlett et Hibbert, 1967). Dans les zones semi-arides ces écoulements sont plus limités du fait de la faiblesse des
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 9 Chapitre I : Etat de l’art sur l’étude de la variabilité et de la modélisation du cycle de l’eau
épaisseurs des sols et à cause de la formation de la croûte de battance qui empêche l’infiltration de l’eau dans le sol. Les mécanismes impliqués dans la genèse des écoulements hypodermiques sont mal connus du fait de la difficulté d’effectuer des mesures et de l’hétérogénéité des sols. Quelques concepts ont cependant été présentés dans la littérature : le concept de flux à travers la matrice poreuse ou flux darciens (Moore et Grayson, 1991), celui de flux à travers les macropores (Obled, 1999), celui de flux à proximité d’une zone imperméable (Tani, 1997), celui de flux par effet capillaire (Pearce et al., 1986), celui de flux par effet piston (Hewlett et Hibbert, 1967), et celui de flux par exfiltration. 1-3-1-1-c- Ecoulement de base L’écoulement de base désigne la partie du débit de la rivière qui provient de la nappe. Dans les bas-fonds des vallées humides la nappe phréatique affleure et un suintement d’eau peut s’acheminer jusqu’à la rivière (De Marsily, 1994). Ces eaux jouent le rôle de régulateur, elles ne représentent qu’une infime quantité en période de crue mais leur importance s’accroît en période d’étiage jusqu’à représenter la totalité de l’écoulement des rivières en période sèche. 1-3-1-2- Mécanismes de recharge des nappes Le flux de percolation d’eau qui parvient à la nappe et qui représente ainsi un apport additionnel à sa réserve constitue ce qu’on appelle la recharge de cette nappe (Simmers, 1988 ; Nazoumou, 1996 ; Nazoumou et Besbes, 2000 ; Nazoumou, 2002 ; De Vries et Simmers, 2002). Elle peut s’accomplir verticalement ou latéralement à partir d’un autre système aquifère. Elle peut également se faire de façon artificielle ou naturelle. En zone aride, trois mécanismes qui régissent la recharge naturelle des nappes ont été décrits par Simmers (1997) : - la recharge par percolation verticale des précipitations à travers la zone non saturée, appelée recharge directe ; - la recharge à partir d’une accumulation d’eau dans les dépressions de surface appelée recharge intermédiaire ou localisée; - et la recharge par percolation de l’eau à travers les lits des cours d’eau appelée recharge indirecte. Cette description qui peut apparaître très simpliste, ne reflète pas toute la complexité des mécanismes de recharge qui peuvent accourir simultanément. La recharge artificielle se fait au niveau des ouvrages de recharge qui peuvent être soit des ouvrages d’épandages (puits, bassins d’infiltration, anciennes carrières et lits des oueds) soit des puits d’injection directe. La recharge des nappes a lieu sous tous les climats, même dans les régions les plus arides (Baba Sy, 2005). Cependant, au fur et à mesure que l’aridité augmente, les recharges indirecte
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 10 Chapitre I : Etat de l’art sur l’étude de la variabilité et de la modélisation du cycle de l’eau et intermédiaire prennent plus d’importance que la recharge directe (De Vries et Simmers, 2002). L’hypothèse avancée par divers travaux (Gribaa, 1997 ; Baba Sy, 1999) est que les nappes du bassin du Merguellil s’alimentent principalement par des fronts d’infiltration, qui surviennent pendant les gros évènements pluvieux, sur les affleurements aquifères et au niveau des piedmonts des reliefs. 1-3-2- Quantification des composantes du cycle hydrologique 1-3-2-1- Approche du bilan hydrologique Les mécanismes intervenant dans le cycle de l’eau étant nombreux et complexes, il est plus judicieux de les étudier sur un espace bien délimité. C’est ainsi que le concept de bassin versant, qui définit un territoire sur lequel tous les écoulements des eaux de surface convergent vers un même point (l’exutoire), a été introduit en hydrologie de surface. Ce concept a été étendu à l’hydrologie souterraine en définissant le bassin versant hydrogéologique comme un volume d’espace superficiel et souterrain contribuant aux écoulements observables en un point donné similairement appelé l’exutoire (Banton et Bangoy, 1997). Il est cependant nécessaire de rappeler que les bassins versant superficiel et souterrain correspondent rarement, ce qui fait qu’il faut bien les délimiter pour ne pas aboutir à une estimation erronée des éléments du bilan. Sur une portion de l’espace ainsi délimitée (bassin versant), il est possible d’effectuer un bilan entre les entrées et les sorties ainsi que les échanges entre les différents compartiments du cycle hydrologique. L’équation générale établissant le bilan hydrologique peut s’écrire comme suit (éq. 1.1). P - ET - R = DS (1.1)
Avec P les précipitations, ET l’évapotranspiration, R le ruissellement et DS la variation du stock dan le bassin versant. La réalisation d’un bilan hydrologique représentatif exige la connaissance précise des limites du bassin versant pour cerner les entrées et les sorties. Elle demande aussi un choix de la période sur laquelle s’effectue le bilan, puisque cette dernière peut permettre de faire le choix de simplifier ou d’approfondir certains termes du bilan. 1-3-2-2- Approche systémique et modélisation du cycle de l’eau Un système est défini comme étant une structure ou un volume dans l’espace, bordé par une limite, qui subit des entrées, leur applique des transformations internes et produit des sorties. Le cycle hydrologique peut être traité comme un système dont les composantes sont les précipitations, l’évaporation, l’infiltration et le ruissellement. Ces dernières peuvent être regroupées en sous-systèmes de l’ensemble du système pouvant être traités séparément et leurs résultats combinés suivant les interactions qui les relient. La structure du système hydrologique est ainsi donnée par la totalité des chemins
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 11 Chapitre I : Etat de l’art sur l’étude de la variabilité et de la modélisation du cycle de l’eau d’écoulements à travers lesquels l’eau peut passer du point d’entrée au point de sortie et par la frontière du domaine. La surface et le sous-sol sont constitués d’innombrables chemins d’eau possibles. Le long de chaque chemin, la forme, la pente et la rugosité changent continuellement d’une place à une autre et également dans le temps en fonction de l’humidité du sol. Par ailleurs les précipitations varient aléatoirement dans l’espace et le temps. Suite à ces complications, il est difficile de décrire avec exactitude les processus hydrologiques par les lois physiques. En utilisant le concept systémique, l’effort est directement porté à la construction d’un modèle reliant les entrées et les sorties plutôt qu’à une représentation exacte des détails de la structure du système, qui peuvent être inconnus, et ne se justifient pas sur le plan pratique (Chow et al., 1988). L’analyse des systèmes hydrologiques a pour but d’étudier leur fonctionnement et prédire leurs sorties. Un modèle d’un système hydrologique est une approximation du système réel, ses entrées et ses sorties sont des variables hydrologiques mesurables et sa structure est constituée d’une série d’équations reliant les entrées aux sorties. 1-3-3- Classification des modèles hydrologiques Les modèles hydrologiques peuvent être divisés en deux catégories : les modèles physiques et les modèles abstraits. Les modèles physiques se composent de modèles d’échelle, qui représentent le système à une échelle réduite, et les modèles analogiques qui imitent les propriétés d’un système physique dont le fonctionnement est proche de celui du système hydrologique. Les modèles abstraits représentent le système hydrologique de façon mathématique. Le fonctionnement du système est décrit par une série d’équations qui relient les variables d’entrée et de sortie. Ces variables peuvent être fonction de l’espace et du temps et peuvent être probabilistes. Développer un modèle avec des variables aléatoires qui dépendent de trois dimensions de l’espace et du temps est une tâche très difficile. Pour des raisons pratiques il est nécessaire de faire quelques simplifications en négligeant certaines sources de variations. Les modèles peuvent être ainsi classifiés selon la simplification effectuée (Chow et al., 1988) : - Les modèles déterministes ne considèrent pas le caractère aléatoire des variables. Une entrée donnée produit toujours une même sortie. Alors que les modèles stochastiques ont au moins des sorties qui sont partiellement aléatoires. - Tenant compte de la variation spatiale, les modèles déterministes peuvent être classés en modèles globaux ou distribués, alors que les modèles stochastiques sont classifiés en modèles spatialement corrélés ou spatialement indépendants. - Considérant la variation temporelle, les modèles déterministes peuvent être classés en modèles stationnaires ou non stationnaires. Tandis que les modèles stochastiques
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 12 Chapitre I : Etat de l’art sur l’étude de la variabilité et de la modélisation du cycle de l’eau
peuvent être classés en modèles temporairement corrélés ou temporairement indépendants. Bien que les processus de transformation pluie débit soient continus, la complexité spatio- temporelle des processus de genèse d’écoulements a poussé les hydrologues à écrire les modèles hydrologiques en deux phases : la production et le transfert. La production renvoie à tous les processus qui consistent à transformer la pluie bruite en pluie nette. Celle-ci étant la quantité qui participe effectivement aux écoulements. Les observations ont montré qu’elle ne constitue qu’une part de la pluie brute dont il faut retrancher les pertes. L’interception par les plantes et les dépressions, l’évaporation et l’infiltration constituent l’essentiel des pertes. Le transfert consiste, quant à lui, à transporter les quantités ainsi produites vers l’exutoire du système. Il existe deux types de modèles de production : les modèles mécanistes et les modèles conceptuels. L’approche mécaniste a pour fondement théorique les équations d’écoulements en milieu non saturé de Richards et d’autres équations plus simplifiées (l’équation de Horton, l’équation de Philip, l’équation de Green-Ampt, l’équation cinématique etc.). L’approche conceptuelle transforme la pluie brute en pluie nette sans décrire les divers processus intervenant dans cette transformation, mais en utilisant les concepts de coefficients d’écoulement, les concepts des pertes, les modèles à réservoirs etc. Comme dans le cas de la production, deux approches ont également été développées pour décrire la fonction de transfert : l’approche mécaniste et l’approche conceptuelle. L’approche mécaniste est surtout basée sur les équations de Barré Saint Venant (le modèle de l’onde dynamique, le modèle de l’onde diffusante et le modèle de l’onde cinématique). L’approche conceptuelle se divise en modèles phénoménologiques (schématisation avancée des phénomènes) et les modèles systémiques (la théorie de l’hydrogramme unitaire, le modèle de Muskingum, etc.). 1-3-4- Calage des modèles hydrologiques Comme toute démarche scientifique, la modélisation hydrologique suit un certain nombre d’étapes rigoureusement choisies (Anderson et Woessner, 1992 ; Refsgaard, 1996 ; Scholten et al., 2001). Les étapes généralement suivies sont les suivantes : - la définition de la problématique, - le choix du modèle correspondant à la problématique traitée et à la nature des données disponibles, - la saisie, la collecte et l’analyse critique des données, - l’élaboration d’un modèle conceptuel du fonctionnement du système, - le calage du modèle avec une partie des données, - la validation du modèle sur l’autre partie des données,
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 13 Chapitre I : Etat de l’art sur l’étude de la variabilité et de la modélisation du cycle de l’eau
- l’utilisation du modèle pour la prévision hydrologique ou la simulation du comportement du système sous certaines conditions. - et le post-audit, qui est une étape ultime effectuée longtemps après la mise en application du Modèle. Elle consiste à vérifier si les prévisions faites par le modèle ont été réalisées. Le calage est donc une des étapes fondamentales dans la démarche de modélisation hydrologique. Elle consiste à rechercher les valeurs optimales des paramètres des différentes équations (régissant l’écoulement) utilisées dans le modèle hydrologique (Anderson et Woessner, 1992). 1-3-4-1- Sources d’incertitudes dans les modèles hydrologiques Les différences entre les données mesurées sur le terrain et les sorties simulées par un modèle peuvent fondamentalement provenir de quatre sources d’incertitudes (Refsgaard et Storm, 1996 ; Engeland et al., 2005) : - Les erreurs aléatoires ou systématiques provenant des données (précipitations, températures, évapotranspiration, etc.) utilisées pour représenter la variation dans l’espace et le temps des entrées du système ainsi que ses conditions aux limites, - Les erreurs aléatoires ou systématiques dans les données des sorties du modèle (nivaux d’eau dans une rivière, niveaux piézométriques, débits d’une rivière, etc.), - Les erreurs dues à une structure incomplète ou biaisée du modèle, qui peut ne pas convenir à la représentation des phénomènes mis en jeux dans le système, - Les erreurs dues aux valeurs des paramètres du modèle qui peuvent ne pas être optimales. Ces différentes sources d’erreurs sont difficiles à appréhender individuellement parce que les modèles tendent à compenser les insuffisances dans certains compartiments par des réajustements dans leurs autres compartiments et paramètres. A titre d’exemple, en vue d’obtenir un bon critère numérique de calage, un modèle peut compenser la défaillance dans les données mesurées (faiblesse dans la précision ou l’exactitude des données) en adoptant des valeurs des paramètres qui ne sont pas optimales. 1-3-4-2 - Méthodes de calage des modèles hydrologiques La procédure de calage consiste à estimer les paramètres qui ne peuvent pas être directement estimés à partir des mesures. Pour les mesures locales, l’étude de l’incertitude induite par les séries moyennées dans l’espace ou issues de l’interpolation spatiale des données locales peut aussi rentrer dans la procédure de calage. Il existe trois méthodes de calage : calage manuel, calage automatique et calage mixte. 1-3-4-2-a- Ajustement manuel des paramètres Le calage manuel consiste à assigner manuellement des valeurs aux paramètres et d’évaluer
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 14 Chapitre I : Etat de l’art sur l’étude de la variabilité et de la modélisation du cycle de l’eau l’erreur correspondante entre les sorties du modèle et les observations. Plusieurs essais sont ainsi effectués jusqu’à l’obtention des valeurs des paramètres qui donnent des résultats satisfaisants par rapport l’objectif fixé. Cette méthode a, le plus souvent, recours à la représentation graphique des résultats des différentes simulations pour faciliter le choix par le modélisateur de la simulation la plus appropriée. Elle est, de loin, la plus répandue et la plus recommandée particulièrement pour des modélisations compliquées (Refsgaard et Storm, 1996). 1-3-4-2-b- Optimisation automatique des paramètres Cette méthode utilise un algorithme numérique qui cherche un extremum d’un critère numérique donné. L’objectif de cette démarche est de chercher un ensemble de paramètres qui satisfait un critère donné de précision, à travers plusieurs combinaisons possibles des valeurs des paramètres. Bien que le calage automatique ait l’avantage d’être rapide, il présente cependant quelques inconvénients (Refsgaard et Storm, 1996) : - le critère à optimiser est un critère unique qui ne tient pas compte forcément de toute la complexité du modèle ; - si le modèle contient beaucoup de paramètres la méthode de recherche de l’optimum peut conduire à un minimum local ; - beaucoup de théories à la base des algorithmes assument que les paramètres du modèle sont mutuellement indépendants, ce qui n’est pas toujours le cas ; - un algorithme automatique ne peut pas distinguer les différentes sources d’erreurs, il peut ainsi essayer de compenser les erreurs des données par le réajustement des paramètres ; - le développement de ces algorithmes automatiques peut prendre beaucoup de temps ; - et enfin calibrer un modèle suppose le choix d’une fonction objective c’est à dire adopter une technique statistique basée sur l’analyse des résidus et négliger complètement les caractéristiques physiques du modèle. Ainsi, au lieu de miser sur la capitalisation de la connaissance intrinsèque de la structure du modèle, le calage automatique stigmatise les incertitudes inhérentes à toute analyse statistique (Todini, 1988). 1-3-4-2-c- Combinaison des calages manuel et automatique La combinaison des deux techniques est aussi envisageable. On peut commencer par une méthode de calage et terminer par l’autre. Si on commence par un calage manuel, il peut s’agir de déterminer l’intervalle de variation des paramètres et utiliser après un calage automatique dans cet intervalle pour déterminer les valeurs optimales des paramètres. Dans le
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 15 Chapitre I : Etat de l’art sur l’étude de la variabilité et de la modélisation du cycle de l’eau cas contraire, il peut s’agir d’effectuer d’abord une étude de sensibilité sur les paramètres, par un calage automatique, pour déterminer les paramètres les plus importants. Par la suite un calage manuel peut être utilisé pour déterminer les valeurs de ces paramètres. Cette combinaison de calages manuel et automatique peut être très utile, mais elle n’est pas très répandue (Refsgaard et Storm, 1996). 1-3-4-3- Joindre les approches stochastique et déterministe dans le calage des modèles hydrologiques Partant du fait qu’une partie importante des processus hydrologiques peut être décrite par l’approche déterministe et que l’information sur les paramètres et les variables d’entrées des modèles sera toujours incomplète, plusieurs méthodes basées sur la jointure des approches déterministe et stochastique ont été développées. Parmi ces approches on peut citer la technique de Monté Carlo et l’approche GLUE (Generalised Likelihood Uncertainty Estimation). La technique de Monté Carlo consiste à exécuter un modèle déterministe à plusieurs reprises en utilisant différentes réalisations équiprobables du champ des paramètres en vue d’estimer l’incertitude sur les simulations. L’approche GLUE permet de combiner les informations de plusieurs séries d’observations par une approche bayésienne (Beven et Binley, 1992) pour atteindre la même finalité. La jointure des approches stochastique et déterministe permet de transmettre une description probabiliste, qui provient des incertitudes inhérentes aux variables d’entrée, à la variabilité spatiale des valeurs des paramètres et à la structure du modèle, aux variables de sorties des modèles déterministes (Refsgaard, 1996). 1-3-4-4- Critères numériques d’évaluation des performances de calage des modèles hydrologiques Il existe plusieurs critères d’évaluation des performances des modèles (Dezetter, 1991 ; Ayadi, 2000). Nous allons en utiliser deux dans cette étude : le critère Expo (éq. 1.2) qui représente l’exponentiel du rapport de l’erreur quadratique moyenne sur la variance des observations (Lamb et al., 1998) et le critère Erreur absolue (éq. 1.3) qui représente la moyenne de la valeur absolue de l’erreur. Le critère Expo est dérivé du critère de Nash (Nash et Sutcliffe, 1970) communément utilisé pour la validation des débits alors que le critère Erreur absolue est bien adapté à la validation des données piézométriques. Ces critères sont mono-objectifs (optimisation des débits ou des piézométries) et ne donnent qu’une idée partielle des performances du modèle. Nous avons défini en complément un critère global (éq. 1.4) d’évaluation des performances de chaque simulation qui tient compte de l’ensemble des données. Ce critère, qui considère à la fois les données piézométriques et hydrométriques, ressemble au maximum de vraisemblance utilisé par Lamb et al. (1998). Des poids Wj ont été affectés à chaque station de mesure j de telle sorte qu’un poids égal entre les mesures hydrométriques et piézométriques soit assuré. En ce qui concerne les données
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 16 Chapitre I : Etat de l’art sur l’étude de la variabilité et de la modélisation du cycle de l’eau hydrométriques, le poids de chaque station a été défini en se basant sur le nombre d’années d’observations. Pour les données piézométriques, les poids ont été affectés à chaque station en se basant sur l’importance de l’exploitation de la nappe surveillée.
æ n 2 ö ç å()qci - qoi ÷ i=1 Expo = expç- n ÷ (1.2) ç 2 ÷ å()qoi - qo è i=1 ø
Avec qci et qoi les débits calculé et observé à l’instant i et qo la moyenne des n valeurs observées utilisées pour le calcul du critère.
1 n Erreur absolue = å qci - qoi (1.3) n i=1
Avec qci et qoi les valeurs calculée et observée à l’instant i et n l’effectif total utilisé pour le calcul du critère. Ce critère (éq. 1.4) présente l’avantage de pouvoir être appliqué, pour un type de données, site par site (auquel cas il devient le critère Expo, défini plus haut) ou région par région.
nj æ 2 ö M ç å()yc,i, j - yo,i, j ÷ Critère global = W *expç- i=1 ÷ (1.4) s å j nj 2 j=1 ç ÷ ç å()yo,i, j - yo, j ÷ è i=1 ø
Avec yc,i, j et yo,i, j les valeurs (débit ou niveau piézométrique) calculée et observée à l’instant i et à la station j ; yo, j la moyenne des nj valeurs observées à la station j ; Wj le poids affecté à la station j ; M le nombre total des stations de mesure (hydrométriques et piézométriques) ; et s le numéro de la simulation. 1-3-5 Prise en compte des aménagements dans la modélisation hydrologique Deux catégories d’aménagements anthropiques peuvent se dégager : l’aménagement à grande échelle qui consiste à changer l’occupation d’une grande région (l’urbanisation, la déforestation, l’agriculture intensive, etc.) et l’aménagement par l’implantation des ouvrages hydrauliques (de la petite à la grande hydraulique). L’étude de l’impact de ces aménagements sur le cycle de l’eau dans un bassin versant peut être abordée de deux manières. La première consiste à analyser les données du fonctionnement des ouvrages implantés, tel que Kingumbi et al. (2004) l’ont fait sur le barrage d’El Haouareb. La deuxième approche adopte la modélisation hydrologique. Dans cette approche, le choix du modèle dépend de l’échelle du bassin et de la nature des actions anthropiques à représenter. Pour des parcelles et des petits bassins, généralement les modèles à base physique sont les plus utilisés (Carluer et De Marsily, 2005). Cependant d’autres approches telle que
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 17 Chapitre I : Etat de l’art sur l’étude de la variabilité et de la modélisation du cycle de l’eau l’hydrogramme unitaire peuvent être adaptées et utilisées (Cudennec et al., 2004 ; Nasri et al., 2004). A cette échelle, seuls les petits ouvrages sont représentés tels que les banquettes (Nasri et al., 2004), les lacs collinaires (Cudennec et al., 2004), les drains (Slama et al., 2004) et les ouvrages agricoles (Carluer et De Marsily, 2005). Pour les grands bassins, les modèles à base physique sont lourds à mettre en place à cause de la quantité de paramètres à mesurer et du temps de calcul nécessaire (Refsgaard et Abbot, 1996). Les modèles conceptuels sont ainsi les plus utilisés et les actions anthropiques concernées sont celles qui couvrent de grandes échelles telles que les grands barrages (Ayadi et Bargaoui, 1998), l’urbanisation ou la déforestation (Hundecha et Bardossy, 2004). Dans cette approche (conceptuelle), les ouvrages sont pris en compte à travers les paramètres du modèle hydrologique. De même, dans les modèles statistiques les non-stationnarités peuvent être prises en compte à travers l’évolution temporelle des paramètres (Coles, 2001). 1-3-6- Choix du modèle hydrologique L’objectif poursuivi dans cette étude est la modélisation du cycle superficiel et souterrain de l’eau dans un bassin versant. Comme dans toute démarche scientifique, nous avons une adéquation à faire entre les ressources disponibles et les objectifs à atteindre. Deux modèles hydrologiques sont disponibles et prêts à l’emploi : MODCOU (Ledoux, 1980) et MIKE SHE (Abbott et al., 1986a ; Abbott et al., 1986b ; Storm et Refsgaard, 1996). MODCOU a été élaboré au Centre d’Informatique Géologique (CIG) de l’Ecole Nationale Supérieure des Mines de Paris. Dans ce modèle le cycle de l’eau est schématisé de façon conceptuelle pour les écoulements de surface et en zone non saturée. MIKE SHE a été élaboré au Danish Hydraulic Institute (DHI) et est basée sur l’approche à base physique aussi bien en surface qu’en souterrain. Le bassin du Merguellil étant de taille moyenne et ayant subi de nombreux aménagements de conservation des eaux et des sols, une approche par modélisation conceptuelle nous semble plus appropriée pour simuler son cycle hydrologique et prendre en compte les différents changements d’état de surface. D’autre part, nous ne disposons que d’un nombre limité de données qui ne peuvent suffire pour mettre en marche un modèle à base physique de façon adéquate. C’est ainsi que le modèle MODCOU a été préféré à MIKE SHE. Par ailleurs, le module de simulation des écoulements souterrains de MODCOU est apparenté à MULTIC (Besbes et al., 1991) déjà utilisé sur deux nappes (Baba Sy, 1999 ; Gribaa, 1997) du bassin du Merguellil. 1-4- Conclusion
Plusieurs indices tendent à montrer que le climat de la Terre est en train de changer. Différents organismes internationaux se sont penchés sur la question et ont émis quelques résolutions parmi lesquelles le suivi et l’analyse des principaux éléments qui caractérisent le climat.
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 18 Chapitre I : Etat de l’art sur l’étude de la variabilité et de la modélisation du cycle de l’eau
Le cycle de l’eau étant l’une des principales manifestations du climat, nous avons présenté dans la première partie les principales variables susceptibles de caractériser ce cycle et qui pourraient ainsi permettre de caractériser le climat. Ensuite le point a été fait sur les différentes méthodes statistiques utilisées à l’heure actuelle pour étudier l’évolution de ces variables. Dans la deuxième partie les principaux concepts de la modélisation hydrologique ont été présentés. L’appréhension des éléments du cycle de l’eau étant le but de toute modélisation hydrologique, nous avons commencé par présenter ce dernier. Les hydrologues ont développé certains concepts pour simplifier la représentation des processus qui influent sur le cycle de l’eau et pouvoir ainsi déterminer ses principales composantes. Les concepts de bassin versant hydrologique et hydrogéologique ont ainsi vu le jour. Sur ces bassins, des méthodes permettant la détermination des différents éléments du bilan ont été développées. La modélisation qui consiste en une représentation sous différentes formes (prototype, analogique et mathématique) des composantes du cycle de l’eau constitue l’une des dernières approches actuellement utilisées. Deux approches cohabitent dans la modélisation hydrologique, l’approche déterministe et l’approche stochastique. La première, contrairement à la deuxième, n’inclut pas le caractère aléatoire inhérent à la plupart des composantes du cycle de l’eau. Les modèles sont aussi distingués par leur façon d’appréhender l’espace, c’est ainsi que dans les modèles déterministes il y a des modèles globaux et distribués. Le bassin du Merguellil ayant connu plusieurs changements de ses états de surface nous avons essayé de montrer quelle approche serait adaptée pour leur prise en compte. C’est ainsi que l’approche conceptuelle, dans laquelle les différents changements seront pris en compte à travers les paramètres du modèle, a été choisie. Le modèle MODCOU a été choisi suivant cette considération et en partant du fait qu’il simule les écoulements superficiel et souterrains. La ressemblance de son module souterrain avec les modélisations déjà entreprises antérieurement sur deux nappes du bassin du Merguellil a été aussi déterminante dans le choix de ce modèle. MODCOU étant un modèle déterministe, nous allons introduire le caractère aléatoire dans ses sorties, par une génération aléatoire des valeurs de ses paramètres de production.
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 19 2. Contexte physique de la zone d’étude
La connaissance du milieu physique ainsi que des activités socio-économiques des populations qui l’habitent est indispensable dans l’étude des composantes du cycle de l’eau. Elle constitue l’un des principaux éléments pouvant aider à cerner les processus qui contribuent à la génération des débits des rivières ainsi qu’à l’alimentation des nappes.
Le milieu physique est représenté par le relief, l’occupation naturelle de la zone d’étude, et l’occupation due à l’action anthropique sur le milieu. L’occupation naturelle consiste essentiellement en la végétation naturelle qui est intimement liée à la nature pédologique des terres. L’occupation due à l’action anthropique peut se traduire par des cultures et des aménagements des versants et des rivières, l’urbanisation et d’autres actions susceptibles d’être entreprises par l’homme dans un bassin versant.
L’activité socio-économique consiste en tout ce qui touche directement ou indirectement les conditions de vie des populations en terme de ressources lucratives ou autres (culturelles, liées à la santé, touristiques etc.). Le milieu physique et les activités socio-économiques sont intimement liés, puisqu’on ne peut parler de l’économie d’une région sans faire intervenir le milieu physique.
Dans ce chapitre nous commencerons par présenter la localisation de la zone d’étude et son relief. Ensuite nous verrons les ressources en sols, les occupations des terres et les aménagements de Conservation des Eaux et des Sols (CES) qui ont été entrepris dans le bassin du Merguellil depuis plus de trois décennies. Nous terminerons par un aperçu sur le cadre administratif et socio-économique de la zone d’étude.
2-1- Situation de la zone d’étude
Le bassin versant de l’oued Merguellil est situé en Tunisie centrale. Il draine comme les autres principaux bassins de la région (Zeroud et Nebhana), les flancs sud de la dorsale tunisienne et a pour exutoire la plaine de Kairouan.
Cette dernière a été, dans le passé, l’objet de plusieurs inondations répétées dont la dernière en date est celle de 1969 (Lafforgue et Duval, 1970). Une politique d’implantation des grands barrages, sur ces trois oueds a été ainsi mise en place pour lutter contre ces inondations. C’est ainsi que le barrage de Sidi Saâd sur l’oued Zeroud et celui d’El Haouareb sur l’oued Merguellil ont été construits à l’entrée de la plaine et mis en eau respectivement en 1981 et 1989. Un autre barrage avait déjà été mis en place sur l’oued Nebhana depuis l’année 1965 (SOGETHA, 1964).
Le bassin versant de l’oued Merguellil a une superficie de 1540 km2 (DCES, 1986). La zone concernée par cette étude comprend la partie du bassin limitée au barrage d’El Haouareb Chapitre II : Contexte physique de la zone d¶étude d’une superficie d’environ 1200 km2 (Kingumbi, 1997), une partie de la nappe d’Aïn Baïdha drainée vers l’oued Zeroud (environ 75 km2), et une partie de la nappe de Cherichira (environ 50 km2) dont les écoulements superficiels sont drainés par l’oued Cherichira qui rejoint le Merguellil après le barrage d’El Haouareb c’est à dire dans la plaine de Kairouan (Figure 2.1).
Figure 2.1 Localisation géographique de la zone d’étude
La zone d’étude ainsi définie (1325 km2) est limitée au Nord par les retombées sud des djebels Belloutta et Serdj, au Sud par le plateau d’El Ala et l’oued Zeroud, à l’Ouest par le haut plateau de Kesra et le djebel Barbrou, et à l’Est par les djebels Ouesslat, Cherichira, Aïn Ghorab, El Haouareb, Hallouf et Touila qui constituent les derniers dômes avant la plaine de Kairouan. Géographiquement cette zone est située entre 9 et 10° de Longitude Est, et 35 et 36° de Latitude Nord (OTC, 1993).
2-2- Topographie du bassin du Merguellil
La topographie du bassin du Merguellil a été décrite à partir des courbes de niveau issues des cartes d’Etat Major au 1/50000 (IGNF, 1957) et dont l’équidistance est de 10 mètres. Une partie de ces courbes est issue des études antérieurement faites sur le bassin du Merguellil (Monat, 2000 ; Kingumbi, 1997). En effet, Monat (2000) avait mis au point un Modèle Numérique de Terrain (MNT) du bassin du Merguellil sous le Système d’Information Géographique (SIG) ARC VIEW à partir des données saisies par Kingumbi (1997) sous DEMIURGE (Depraetere, 1995a et b).
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 21 Chapitre II : Contexte physique de la zone d¶étude Cette base de données, héritée des études antérieures, a été complétée par des courbes de niveau des zones des nappes d’Aïn Baïdha et de Cherichira qui se drainent en dehors du bassin versant superficiel de l’oued Merguellil limité au barrage d’El Haouareb (Figure 2.1). Ceci nous a permis de recalculer un MNT qui couvre l’ensemble de la zone d’étude (Figure 2.2). Ce dernier a été calculé sur une grille de pixels de 100 m de coté. Il a été validé par comparaison à celui établi par Monat (2000). Nous aboutissons aux mêmes valeurs sur les mailles du bassin topographique dont les altitudes sont comprises entre 200 et 1200 m. Les parties rajoutées (dans les zones d’Aïn Baïdha et de Cherichira) montrent un drainage hors Merguellil et présentent des altitudes qui varient entre 200 et 500 m.
La morphologie de ce bassin est constituée essentiellement des djebels et des plateaux, dont les principaux sont répertoriés ci-après :
- Le djebel Ouesslat est situé sur la limite Nord-Est du bassin. La ligne de partage des eaux entre le bassin du Merguellil et celui de Nebhana passe par ce djebel dont le point culminant est à 900 m d’altitude.
Figure 2.2 Carte des altitudes du bassin du Merguellil
- Le djebel Barbrou, par lequel passe la ligne de partage des eaux entre le Merguellil et
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 22 Chapitre II : Contexte physique de la zone d¶étude le Zeroud, est situé sur la limite Nord-Ouest du bassin. Son sommet, situé à 1226 m d’altitude, constitue le point culminant du bassin versant du Merguellil.
- Le djebel Trozza est situé dans la zone Sud-Est du bassin et est entièrement drainé dans le bassin versant du Merguellil. Il culmine à 998 m d’altitude.
- Le haut plateau de Kesra est situé sur la limite Ouest du bassin. Il est à une altitude d’environ 950 m et constitue l’amont du bassin où le cours d’eau principal prend naissance.
- Le plateau d’Ouslatia est situé sur la limite Nord du Bassin, à l’ouest du djebel Ouesslat. Il se trouve à une altitude d’environ 500 m avec un terrain très plat qui rend difficile la délimitation précise de la ligne de partage des eaux dans cette zone.
- Le plateau d’El Ala est situé dans le centre Sud du bassin sur la limite entre le bassin du Merguellil et celui du Zeroud. Son altitude est d’environ 500 m.
Le bassin versant du Merguellil limité au barrage d’El Haouareb a une hypsométrie comprise entre 1226 et 200 m d’altitude. Les caractéristiques morphologiques de ce bassin (Tableau 2.1) ont été étudiées par plusieurs auteurs (Kallel et al., 1975 ; Bouzaiane et Lafforgue, 1986 ; Kingumbi, 1996 ; Kingumbi, 1997). Elles montrent que le bassin versant de l’oued Merguellil est un bassin assez homogène avec une forme plus ou moins allongée. A l’exception du bassin du Zebbes qui draine le plateau d’El Ala, les autres sous-bassins du Merguellil présentent un relief relativement fort (Tableau 2.1).
Tableau 2.1 Caractéristiques morphologiques des sous-bassins du Merguellil (Kingumbi, 1997) S P L l H H H H H D Ig D Bassin IC min 95% med 5% max S (Km²) (Km) (Km) (Km) (m) (m) (m) (m) (m) (m) (m/Km) (m) Zebbes 181 67 1.40 26.7 6.8 350 423 521 653 739 230 8.6 116 Skhira 193 54 1.10 14.3 13.5 590 652 814 1040 1226 388 27.1 376 Haffouz 663 117 1.28 43.1 15.4 260 330 595 912 1226 582 13.5 348 Sidi Boujdaria 897 127 1.20 42.3 21.2 232 314 550 894 1226 580 13.7 410 El Haouareb 1192 162 1.32 61.7 19.3 192 250 504 867 1226 617 10.0 345 Avec S la superficie, P le périmètre, IC l’indice de compacité, L la longueur du rectangle
équivalent, l la largeur du rectangle équivalent, Hmin l’altitude minimale, H95% l’altitude au dessus de laquelle il y a 95% de la superficie du bassin, Hmed l’altitude médiane, H5% l’altitude au dessus de laquelle il y a 5% de la superficie du bassin, Hmax l’altitude maximale, D la dénivelée, Ig l’indice des pentes global, et DS la dénivelée spécifique.
Les différentes courbes hypsométriques des sous-bassins du Merguellil ont été tracées (Figure 2.3). Elles traduisent, avec les pentes régulières, un relief assez ancien travaillé par l’érosion. On constate aussi que l’influence des reliefs amont est très faible, puisqu’ils s’étendent sur des superficies limitées.
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 23 Chapitre II : Contexte physique de la zone d¶étude La comparaison de l’hypsométrie des sous-bassins de Skhira et Zebbes de superficie équivalente, montre une plus forte dénivelée pour le premier situé à l’amont du Merguellil. Tandis que pour le second, situé au milieu du bassin, les altitudes varient sur moins de 400 m d’intervalle. Ceci traduit le caractère montagneux du Merguellil plus marqué à l’amont qu’au centre et à l’aval du bassin (Figure 2.3).
Figure 2.3 Courbes hypsométriques des sous-bassins du Merguellil (Kingumbi, 1997)
Figure 2.4 Répartition des pentes en fonction des surfaces des sous-bassins du Merguellil
Les pentes du bassin versant du Merguellil ont été aussi calculées : elles varient entre les valeurs 0 et 42° (Kingumbi, 1997). Les grandes pentes sont constatées sur les formations
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 24 Chapitre II : Contexte physique de la zone d¶étude montagneuses du bassin, qui sont les djebels Trozza, Ouesslat, Barbrou, Touila et le haut plateau de Kesra. Les faibles pentes sont constatées dans la zone d’Aïn Baïdha juste en face du barrage d’El Haouareb, sur les plateaux d’El Ala et d’Ouslatia, et à l’amont du bassin sur une partie du haut plateau de Kesra.
Les courbes de répartition des pentes en fonction de superficies couvertes au niveau des différents sous-bassins du Merguellil sont données sur la Figure 2.4. Cette figure montre qu’il y a prédominance de pentes faibles sur le bassin de Merguellil. En effet plus de 75% du bassin ont une pente inférieure à 5°. Ceci confirme le constat issu de l’hypsométrie qui montre l’importance relativement faible des formations montagneuses amont dans le relief de l’ensemble du bassin versant du Merguellil.
La comparaison des pentes des bassins de Zebbes et Skhira de superficie équivalente montre que le premier a des valeurs moyennes et extrêmes de loin plus faibles que le second. Ceci confirme que l’amont est plus accidenté que la partie centrale et aval du bassin.
2-3- Pédologie de la zone d’étude
Une carte pédologique du bassin du Merguellil, qui montre l’existence de quatre principales entités pédologiques, a été élaborée à partir des travaux de Barbery et Mohdi (1987) et de Mizouri et al. (1990). Ces entités sont constituées de sols peu évolués, sols calcimagnésiques, sols isohumiques et sols d’associations (Tableau 2.2).
Les sols peu évolués sont en général de deux origines principales : érosive et d’apports (Barbery et Mohdi, 1987). Il en existe de différents types sur le bassin du Merguellil : les sols argileux avec une forte pierrosité en surface, les sols squelettiques sur roches calcaires dures, les sols minéraux bruts sur affleurements calcaires et gréso-calacaires, les sols d’apports de texture fine affectés par l’halomorphie, etc. La Figure 2.5 montre que ces sols sont localisés principalement dans la partie centrale du bassin (délégation d’El Ala) ainsi que dans la partie aval (délégation d’Aïn Baïdha). Avec une superficie d’environ 490 km2, les sols peu évolués constituent la plus grande couverture pédologique du bassin du Merguellil.
Les sols calcimagnésiques sont principalement de type rendzines et bruns calcaires. Généralement peu profonds, ces sols sont constitués de croûtes calcaires, d’éboulis, de colluvions et de sables (Barbery et Mohdi, 1987). Ces sols n’occupent qu’une superficie relativement faible d’environ 138 km2 et se retrouvent dans la partie extrême amont du bassin, après la forêt de la Kesra, ainsi que dans la partie centrale du bassin versant du Merguellil (Figure 2.5).
Les sols isohumiques, constitués principalement de matériaux sableux, sont de types bruns sub-arides (Barbery et Mohdi, 1987). Ce sont des sols d’érosion et d’apports plus ou moins
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 25 Chapitre II : Contexte physique de la zone d¶étude récents. Ils sont situés principalement dans la partie centrale et aval du bassin du Merguellil et couvrent une superficie d’environ 92 km2 (Figure 2.5).
Tableau 2.2 Classification des différentes entités pédologiques du bassin du Merguellil (Barbery et Mohdi, 1987 ; Mizouri et al., 1990) Classe Groupe Sous groupe Famille N° MB D'apport alluvial Sables 1 Affleurements Sols peu évolués calcimagnésiques Calcaires - grès 2 Affleurements Sols peu évolués modaux Grès - sables 3 Sols peu évolués modaux Affleurements Grès - marnes 5 Sols peu évolués Affleurements ou forte érosion Marnes - calcaires - grès 6 calcimagnésiques Associations Sols peu évolués Régosols tronqués Marnes-argiles 7 calcimagnésiques Calcimagnésiques Affleurements Marnes - calcaires - grès 8 Calcimagnésiques Affleurements de croûtes Grès - marnes 9 Sols peu évolués Affleurements de croûtes Sables - croûtes 10 isohumiques D'érosion Modaux ou tronqués Marnes - colluvions 11 D'érosion Modaux Grès - matériaux sableux 12 D'érosion Vertiques Marnes - argiles 14 D'apport Modaux Colluvions - alluvions 15 D'apport Calcimagnésiques Colluvions 20 Sols peu évolués D'apport Steppiques parfois tronqués Matériaux sableux 21 D'apport Steppiques + érosion éolienne Matériaux sableux 22 D'apport Steppiques à encroûtements Matériaux sableux 23 D'apport Steppiques peu épais Sables - argiles 24 D'apport Faibles hydromorphes ou vertiques Colluvions - alluvions 27 Rendzines Encroûtements - croûtes Croûtes - calcaires 31 Bruns calcaires Peu profond Eboulis 33 Calcimagnésiques Bruns calcaires Encroûtements profonds Matériaux calcaires - colluvions 35 Bruns calcaires Encroûtements près de surface Sables 36 Bruns subarides Modaux Matériaux sableux 37 Isohumiques Bruns subarides Encroûtements profonds Matériaux sableux 39 Bruns subarides Encroûtements (80 cm) Matériaux sableux 40 Salés à alcalis > 10 mmhos Dépôts alluviaux 42 Halomorphes Salins > 10 mmhos Dépôts alluviaux 44 Les sols d’associations sont composés par un mélange de sols peu évolués, calcimagnésiques et isohumiques. Constitués de marnes, de sables et d’encroûtements calcaires, ces sols sont de productivité médiocre. Ils se retrouvent principalement dans la partie amont du bassin occupée par la forêt de la Kesra et sur les principaux reliefs du bassin versant du Merguellil : le djebel Ouesslat, le djebel Touila, le djebel Trozza, et le haut plateau de la Kesra. Avec les sols peu évolués, les sols d’associations constituent la quasi-totalité de la couverture pédologique du bassin du Merguellil, avec une superficie de 570 km2 (Figure 2.5).
Les sols halomorphes sont constitués de dépôts alluviaux dont la conductivité électrique dépasse les 10 mmhos. Ils se situent dans les zones les plus basses des oueds Merguellil et Zéroud et ne constituent qu’une superficie de 8 km2 de la zone d’étude.
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 26 Chapitre II : Contexte physique de la zone d¶étude Les matériaux meubles (MB) occupent une superficie de 29 km2. Ils se situent dans les lits des oueds Merguellil et Zeroud et sont constitués de matériaux récemment charriés qui n’ont pas encore subi de pédogenèse (Figure 2.5).
De plus, Barbery et Mohdi (1987) ont identifié les textures des différents sols se trouvant dans la région d’étude. Celles-ci sont reproduites dans le Tableau 2.3 et nous les avons divisées en six classes pédologiques en fonction de leur capacité de favoriser l’écoulement au détriment de l’infiltration :
- La première classe est constituée de deux entités pédologiques : une entité de croûtes calcaires (n° 31), et une entité de calcaires et grès (n° 2). Cette classe couvre une superficie de 214 km2 et se localise spatialement sur les principaux reliefs du bassin : le haut plateau de la Kesra, le djebel Trozza et le djebel Ouslatia.
Figure 2.5 Répartition spatiale des entités pédologiques du bassin du Merguellil (Barbery et Mohdi, 1987 ; Mizouri et al., 1990) et recomposées d’après le Tableau 2.3.
- La deuxième classe est constituée de quatre entités : deux entités de marnes et argiles (n° 7 et n° 14) et deux entités de marnes, calcaires et grès (n° 6 et n° 8). Cette classe
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 27 Chapitre II : Contexte physique de la zone d¶étude représente une étendue de 237 km2, située principalement dans la partie amont du bassin (forêt de la Kesra et sous bassin de l’oued Morra), et à l’aval du bassin le long de l’oued Zeroud.
- La troisième classe regroupe trois entités : deux entités de grès et marnes (n° 5 et n° 9), et une entité de marnes et colluvions (n° 11). Elle occupe une superficie de 256 km2 sur le bassin du Merguellil. Cette classe est surtout prépondérante dans la partie centrale de ce bassin.
Tableau 2.3 Classification en unités homogènes des différentes entités pédologiques du bassin du Merguellil Entités pédologiques N° d¶entités N° de classe Superficie (km2) Croûtes calcaires 31 1 214 Calcaires grès 2 Marnes argiles 7, 14 2 236 Marnes calcaires grès 6, 8 Grès marnes 5, 9 3 256 Marnes colluvions 11 Sables argiles 24 Matériaux calcaires colluvions 35 Colluvions alluvions 15, 27 4 95 Colluvions 20 Dépôts alluviaux 42, 44 Eboulis 33 Sables croûtes 10 5 121 Grès sables 3, 12 Matériaux sableux 21, 22, 23, 37, 39, 40 6 403 Sables 1, 36 - La quatrième classe est composée de six entités : une entité de sables et argiles (n° 24), une entité de matériaux calcaires et de colluvions (n° 35), une entité de colluvions (n° 20), deux entités de colluvions et alluvions (n° 15 et n° 27), deux entités de dépôts alluviaux (n° 42 et n° 44), et une entité d’éboulis (n° 33). Elle s’étend sur une superficie d’environ 95 km2 localisée essentiellement dans le centre du bassin.
- La cinquième classe se compose de trois entités : une entité de sables et croûte calcaire (n° 10) et deux entités de grès et sables (n° 3 et n° 12). Elle occupe une superficie de 121 km2 dans le bassin du Merguellil. Les unités pédologiques de cette classe sont éparpillées entre le centre et le sud du bassin.
- La sixième classe est composée de 8 entités : six entités de matériaux sableux (n° 21, n° 22, n° 23, n° 37, n° 39 et n° 40), et deux entités de sables (n° 1 et n° 36). Cette classe pédologique, prépondérant dans la partie centrale (El Ala) et aval (Aïn Baïdha), est de loin la plus représentée sur le bassin versant du Merguellil avec une superficie de 403 km2.
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 28 Chapitre II : Contexte physique de la zone d¶étude 2-4- Occupation spatiale de la zone d’étude
La couverture spatiale joue un rôle primordial dans les processus de génération du ruissellement sur les versants et d’infiltration de la pluie vers la zone non saturée. En effet, un même type de sol peut avoir des comportements différents par rapport à ces processus, selon l’occupation de la surface.
Une carte d’occupation des sols (Figure 2.6) a été élaborée à partir de plusieurs travaux antérieurs (Barbery et Mohdi, 1983 ; DCES, 1996 ; Kingumbi, 1997 ; Dridi, 2000). On peut recenser cinq principales occupations des terres dans le bassin du Merguellil : les forêts, les cultures, les pâturages, les zones bâties et les zones occupées par les eaux.
Figure 2.6 Répartition spatiale des différentes occupations des sols du bassin du Merguellil
Les cultures occupent, avec 730 km2, la plus grande superficie de ce bassin. On distingue l’arboriculture et les cultures annuelles composées principalement par la céréaliculture. Les cultures annuelles sont disséminées sur l’ensemble du bassin et occupent 59% de la superficie allouée aux cultures (430 km2). L’arboriculture occupe le reste (300 km2) et se retrouve
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 29 Chapitre II : Contexte physique de la zone d¶étude principalement aux alentours des centres urbains d’El Ala et de Haffouz, ainsi que dans la localité d’Aïn Baïdha.
Les parcours constituent, avec 350 km2, la deuxième occupation des terres du bassin du Merguellil. Elles se situent en prédominance dans la partie Nord Centre du bassin, dans la zone de Cherichira, ainsi que dans les environs des djebels Trozza et Touila.
Les forêts occupent 220 km2. Elles se situent dans la partie Nord-Ouest du bassin sur le plateau de Kesra, ainsi que dans la partie Nord-Est du bassin sur les flancs du djebel Ouesslat. La forêt est claire et plus ou moins dégradée par l’action anthropique se manifestant principalement par le déboisement. Elle se compose, du haut en bas, par le Pin d’Alep, le Genévrier de Phénicie, le Romarin et l’Alfa dispersés (Dridi, 20000).
Les zones bâties sont composées de petits centres urbains rencontrés dans le bassin. Il s’agit principalement de Haffouz, El Ala et Kesra. Quant aux zones occupées par les eaux, elles sont constituées par les lits des principaux oueds ainsi que par les barrages de Sidi Saâd sur l’oued Zeroud et d’El Haouareb sur l’oued Merguellil. Les zones occupées par les eaux et les bâtiments constituent une portion très faible (20 km2 @ 1%) de la superficie du bassin du Merguellil.
2-5- Implantation des aménagements de Conservation des Eaux et des Sols (CES) dans la zone d’étude
2-5-1- L¶érosion dans le bassin du Merguellil
L’érosion est définie comme étant un processus de décapage des couches superficielles du sol, leur transport et leur dépôt. Le décapage peut se faire par plusieurs phénomènes classifiés en deux principales catégories : les phénomènes physiques et les phénomènes chimiques. Le transport se fait par deux principaux agents : l’eau et le vent. Alors que le dépôt se fait dans les dépressions qui peuvent être continentales tels que les barrages et lacs collinaires ou océaniques. Selon la façon dont elle se manifeste et les endroits qu’elle touche, l’érosion peut être classifiée en quatre principales formes (Snoussi, 1993) :
- Le décapage de la couche superficielle du sol (arable et riche en matières organiques) par un écoulement sur les versants d’une fine pellicule d’eau, c’est l’érosion en nappe.
- L’évolution du ruissellement des versants en ruissellement concentré passe par les stades de griffes, de ravines et de ravins. Le creusement de ravins dissèque le versant et engendre une érosion par remontée appelée « tête de ravin ».
- L’affouillement de la base des berges des cours d’eau qui s’écroulent surtout en périodes de crues : c’est l’érosion par sapement des berges.
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 30 Chapitre II : Contexte physique de la zone d¶étude - Le glissement des masses de terre des versants constitués de roches meubles ou d’alternance de roches meubles et résistantes. L’infiltration de l’eau dans ces roches provoque leur glissement dans le sens de la pente par l’augmentation de leur poids.
Dans le bassin versant du Merguellil toutes ces formes d’érosion sont présentes. Mais les formes les plus remarquées sont les ravines sur les versants et les sapements des berges qui ont abouti à un fort élargissement des oueds surtout à l’aval du bassin.
Quelques auteurs ont essayé de quantifier l’érosion spécifique par la mesure des éléments en suspension et charriés par les crues du Merguellil aux différentes stations hydrométriques. Elle a été ainsi estimée à 12,2 et 16,4 tonnes/ha/an par Bouzaiane et Lafforgue (1986) respectivement aux stations de Haffouz (1966-1982) et Sidi Boujdaria (1974-1982). Le plateau d’El Ala constitue la partie la plus érodée du bassin puisqu’il contribue à une augmentation de l’érosion spécifique du bassin qui passe de 12 à 16 tonnes/ha/an entre les stations de Haffouz et Sidi Boujdaria. Garetta et Our Ghemi (1999) ont estimé à 15,7 tonnes/ha/an (sur la période 1989-1998) l’érosion spécifique au barrage d’El Haouareb par bathymétrie. Tchatagba (1998) et Raspic (2000) ont quantifié l’érosion spécifique de ce bassin par l’équation universelle de perte en terres (Wischmeir et Smith, 1965 ; 1978) et sont arrivés aux estimations qui permettent de retrouver les observations.
Les quantités transportées par l’érosion dans le bassin du Merguellil sont très importantes comparativement au maximum de transport admissible proposé par Evans (1981) pour la préservation des ressources en sols (1 tonne/ha/an). Ceci étant, plusieurs travaux de conservation des eaux et des sols (CES) ont été entrepris depuis fort longtemps. Durant les années 1960, l’objectif officiel était de réguler le marché de l’emploi dans les zones dites marginales. Ensuite dans les années 1970, l’amélioration de la productivité, par l’introduction de nouveaux engins, fût l’objectif visé. Ce n’est que pendant les années 1980 que l’approche d’aménagements CES, intégrés dans leur environnement, est apparue. Durant les années 1990 l’approche participative, consistant à associer les paysans aux différentes phases de réalisation des travaux CES, a été adoptée (Ben Mansour, 2000).
Différents types d’aménagements CES ont été implantés dans le cadre des différents projets qui se sont succédés sur le bassin (DCES, 1991). On en distingue deux principaux dont la chronologie d’implantation et l’impact sur le ruissellement ont été étudiés par Dridi (2000) : les aménagements des versants et ceux du réseau hydrographique.
2-5-2- Les aménagements des versants du bassin du Merguellil
Les aménagements des versants entrepris dans le bassin du Merguellil sont constitués principalement de plantations pastorales et de fixations biologiques, de cordons et seuils en pierres sèches, ainsi que de banquettes à rétention totale.
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 31 Chapitre II : Contexte physique de la zone d¶étude
2-5-2-1- Plantations pastorales et fixations biologiques
Les fixations biologiques sont utilisées pour stabiliser les berges des oueds les plus érodés tandis que les plantations pastorales se retrouvent sur les versants pour améliorer la qualité des parcours et lutter contre l’érosion en nappe. Elles occupaient en 1998 8% de la superficie du bassin (Dridi, 2000).
2-5-2-2- Cordons et seuils en pierres sèches
Les seuils sont des ouvrages en pierres sèches construits dans les têtes des ravines pour empêcher leur progression sur les versants alors que les cordons sont construits sur les versants en pente plus ou mois forte et en suivant les courbes de niveau. Ils sont souvent construits sur des sols en parcours dégradés avec une forte piérrosité et servent à ralentir le ruissellement et diminuer ainsi le transport solide.
2-5-2-3- Banquettes de rétention totale
Une banquette est une bande de terre dressée suivant les courbes de niveau avec un fossé très évasé et un bourrelet de largeur réduite. Elle a pour fonction de stocker l’eau du ruissellement et de favoriser ainsi son infiltration. L’objectif est de contribuer à l’augmentation des réserves en eau du sol et à la protection des barrages et des lacs collinaires situés à l’aval contre l’envasement.
Les banquettes sont implantées sur des sols profonds en pentes faibles et l’espace inter baquettes est mis en cultures. Le plus souvent, les plantations pastorales et fourragères (le cactus et l’acacia) sont utilisées pour stabiliser les banquettes et faciliter ainsi l’infiltration des eaux du ruissellement.
Les banquettes n’ont pas que des avantages. En effet, elles diminuent l’espace cultivable, elles constituent des obstacles à la circulation des engins et du bétail, et exigent un entretien assez régulier.
Tableau 2.4 Chronologie d’évolution des superficies du bassin du Merguellil aménagées en banquettes Superficie Cumul des surfaces aménagées Période (km2) (km2) (%) Avant 1970 14.8 14.8 1.2 Entre 1970 et 1980 7.7 22.5 1.9 Entre 1980 et 1990 73.9 96.4 8.0 Entre 1990 et 1998 98.6 195.0 16.3 On ne dispose pas de chronologie précise d’implantation des différents ouvrages, mais à partir des archives de la CES, des images satellitaires et des photographies aériennes, Dridi (2000) a pu dresser une carte d’implantation des banquettes sur le bassin du Merguellil que nous reprenons en Figure 2.7. Elle montre que ces aménagements occupaient une infime partie du
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 32 Chapitre II : Contexte physique de la zone d¶étude bassin jusqu’au début des années 1980. L’essentiel des banquettes a donc été implanté vers le milieu des années 1980 et pendant la décennie 1990 (Tableau 2.4).
Figure 2.7 Chronologie d’implantation des banquettes dans le bassin du Merguellil, d’après Dridi (2000).
Les aménagements en banquettes sont essentiellement au centre du bassin. Sur une superficie totale de 200 km2 aménagée jusqu’en 1998, 70% se trouve dans les sous bassins de Haffouz et Zebbes, et seulement 2% se trouve dans le sous bassin amont de Skhira. On remarque que l’aval du bassin (zone d’Aïn Baïdha) n’a connu les premiers aménagements en banquettes que pendant les années 1990.
2-5-3- Les aménagements des cours d¶eau du bassin du Merguellil
Dans le bassin du Merguellil, les aménagements du réseau hydrographique se composent d’ouvrages pour barrer les cours d’eau (lacs et barrages collinaires) et d’ouvrages, le plus souvent en maçonnerie, pour stabiliser les berges et les profils en long.
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 33 Chapitre II : Contexte physique de la zone d¶étude
2-5-3-1- Ouvrages de stabilisation des berges et des profils en long
On distingue deux types d’ouvrages : les ouvrages longitudinaux et transversaux. Les ouvrages longitudinaux aux lits des oueds sont préconisés pour la correction des méandres à concavités accentuées et ont comme objectif la lutte contre l’affouillement et le sapement des berges des oueds.
Les ouvrages transversaux sont construits en maçonnerie ou en pierres sèches. Leur objectif est la stabilisation des profils en long, l’alimentation des nappes, le piégeage des sédiments, et la stabilisation de la pente des oueds. On rencontre ces ouvrages surtout dans la partie aval du bassin du Merguellil.
2-5-3-2- Lacs et barrages collinaires
Les lacs et les barrages collinaires sont constitués par des digues en terre compactée dont la capacité de la retenue est en moyenne de l’ordre respectivement de 0.1 et 1 million de m3. Ils répondent à quatre objectifs : l’amélioration et le développement de la productivité agricole locale, la lutte contre l’envasement des grands barrages, la maîtrise des eaux de surface et l’alimentation des nappes souterraines.
Figure 2.8 Localisation des lacs et barrages collinaires dans le bassin du Merguellil.
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 34 Chapitre II : Contexte physique de la zone d¶étude L’évaluation à notre disposition (issue de Dridi (2000) et complétée par les informations recueillies à la Direction Générale de l’Aménagement et de la Conservation des Terres Agricoles (DG/ACTA)) fait état de 44 lacs et barrages collinaires (Figure 2.8, Tableau 2.5). Plus de la moitié de ces lacs (24) ont une vocation purement agricole, 9 lacs servent à la protection des barrages contre l’envasement, 2 pour l’alimentation des nappes, et 9 pour les usages diversifiés (Tableau 2.5).
La majorité de ces retenues a été implantée dans la partie amont du bassin versant du Merguellil dans les sous bassins de Skhira et Haffouz. La partie aval en est dépourvue ainsi que le sous bassin de Zebbes (Figure 2.8).
Les sous bassins concernés par ces lacs et barrages collinaires, depuis les années soixante jusqu’à actuellement, forment une superficie d’environ 170 km2 correspondant à environ 15% de la surface du bassin versant du Merguellil.
La chronologie montre que la décennie 1990 a été de loin la plus riche en implantation des lacs et barrages collinaires. Elle montre aussi que les années 1970 et 1980 ont été caractérisées par une quasi-absence d’implantations de ces ouvrages (Figure 2.9). En effet sur ces 20 années on assiste à une construction de 6 ouvrages seulement.
Figure 2.9 Chronologie d’implantation des lacs et barrages collinaires dans le bassin du Merguellil : (a) nombre et (b) surface drainée par ces retenues d’eau.
Une dizaine de retenues ont été aménagées dans le cadre d’un projet de coopération américaine datant de la fin des années 1960 (Tableau 2.5, Figure 2.9), ils ont été totalement ou partiellement envasés après les événement pluviométriques exceptionnels de l’automne 1969. Les retenues construites après l’année 1969 disposent encore d’une grande part de leurs
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 35 Chapitre II : Contexte physique de la zone d¶étude capacités de stockage qui varient de 20 à 90% de leurs capacités initiales (Dridi, 2000).
Tableau 2.5 Quelques caractéristiques des lacs et barrages collinaires implantés dans le bassin du Merguellil NOM Délégation Retenue (m3) Surface (ha) Usages Date de construction
El Marrouki Haffouz 56000 63 agriculture 1973 Dahbi Haffouz 26000 564 divers usages 1980 Salem Thabet Haffouz 63000 205 agriculture 1973 Abda Haffouz 37000 287 divers usages 1970 El Hoshas Haffouz 130000 1050 recharge nappe 1989 Ben Houria Haffouz 17000 208 divers usages 1970 Ain Faouar Haffouz 66000 290 agriculture 1994 Fidh M'bark Haffouz 53000 95 agriculture 1992 Maiz Haffouz 500000 1300 agriculture 1986 Fidh Ali Haffouz 127000 412 agriculture 1991 Fidh Ben Nasser Haffouz 100000 169 agriculture 1990 Bouksab Haffouz 55000 320 agriculture 1985 El Ghatatis Oussletia 106000 212 agriculture 1995 El Gatar Oussletia 150000 450 agriculture 1992 El Mahbes Oussletia 180000 820 agriculture 1993 Ain Smili Oussletia 130000 720 agriculture 1994 El Garia1 Kesra 25000 114 divers usages 1968 El Garia2 Kesra 19000 64 divers usages 1968 Wad Hafar Kesra 30000 130 agriculture 1993 Fedden Bou Ras Kesra 94000 391 agriculture 1992 Ain Saadoon Kesra 18000 172 divers usages - El Morra El Ala 650000 1250 agriculture 1992 Absa1 El Ala 50000 450 agriculture 1992 Absa2 El Ala 35000 82 divers usages 1992 Fidh Ezzitoun El Ala 40000 100 divers usages - Bouchiha1 Kesra 18000 20 agriculture 1990 Bouchiha2 Kesra 34000 34 recharge nappe 1990 Wad Daoud Makthar 95000 307 protection barrages 1994 Fidh Serwi S4 Makthar 181000 474 protection barrages 1967 El Hinchir S3 Makthar 38000 211 protection barrages 1967 Ouled Mrabet S2 Makthar 79000 157 protection barrages 1967 El Mkebrta S18 Makthar 160000 183 protection barrages 1967 El Hfaya S12 Makthar 60000 148 protection barrages 1967 Bou Haasine S1 Makthar 52000 150 protection barrages 1967 Fidh Smara S5 Makthar 120000 266 protection barrages 1968 Fidha Grawa S20 Makthar 72000 309 protection barrages 1968 Sidi Sofiane Haffouz 40000 101 divers usages 1994 Ben Zitoun Haffouz 50000 250 agriculture 1993 Chaabit Hamra El Ala 120000 400 agriculture 1996 NMAL Oussletia 1000000 1550 agriculture 1996 Kharroub Oussletia 1270000 1930 agriculture 1995 El Gassaa Oussletia 104000 480 agriculture 1996 Ain Smili2 Oussletia 35000 164 agriculture 1996
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 36 Chapitre II : Contexte physique de la zone d¶étude Le taux d’exploitation des lacs collinaires par les paysans riverains est très faible. En effet, à la fin des années 1990, 50% d’exploitants n’avaient pas encore introduit l’irrigation dans leur pratiques culturales, 28% commencaient à intégrer le facteur eau, et seulement 22% des paysans pratiquaient la petite irrigation (Albergel et al., 2001b). Ce qui induit que l’essentiel du volume d’eau de ces ouvrages se perdait par l’évapotranspiration qui est très élevée dans ce contexte climatique.
2-6- Aperçu du cadre administratif et socio-économique de la zone d’étude
Le bassin du Merguellil couvre administrativement deux gouvernorats : Kairouan (80% de la superficie) et Siliana (près de 20%) (Figure 2.1). Quatre délégations du gouvernorat de Kairouan (El Ala, Haffouz, Hajeb El Ayoun et Oueslatia) et une seule délégation du gouvernorat de Siliana (Kesra) ont des secteurs administratifs dans le Merguellil.
Ce bassin est à caractère rural. En effet, sur 100 personnes qui l’habitent seules environ 15 sont urbaines. L’agriculture, qui constitue la principale activité économique de la région, a connu plusieurs mutations. Au début du 20ème siècle le paysan de la région était essentiellement pasteur semi-nomade. Pendant les périodes sèches, il transhumait vers le Nord plus humide, à la recherche de pâturages. Ce n’est que vers le milieu du 20ème siècle, avec le développement de la mécanisation, que le paysan est devenu cultivateur-éleveur sédentaire. Actuellement, le modèle d’exploitation le plus répandu dans la région est basé sur l’association de l’arboriculture, la céréaliculture et l’élevage (Bonvallot et al., 1981 ; Bonvallot, 1986 ; Hamza, 1988). Cependant, au fil du temps, les vastes parcours d’antan ont laissé place à des exploitations de plus en plus petites (EGS, 1995) suite à la dislocation des héritages et à l’accroissement de la population. L’effectif du cheptel par tête d’habitant est aussi devenu de plus en plus important, ce qui menace l’équilibre du milieu naturel.
Tableau 2.6 Indications sur l’évolution de la population de la région d’étude (DGAT, 1992 ; DGAT, 1995) Population Taux de Année Région Délégation 2 croissance Densité (ha/km ) Rurale (%) Dispersée (%) annuel El Ala - - - - Kairouan 1975 Haffouz - - - - Siliana Kesra 41 - 70 - El Ala 87 92 - - Kairouan 1984 Haffouz 59 88 - - Siliana Kesra 48 - 60 - El Ala 97 92 - 1.3 % Kairouan 1994 Haffouz 71 82 - 2.0 % Siliana Kesra 52 - 40 1.0 % L’agriculture étant la principale activité, la répartition de la population dans le bassin est liée à celle des ressources en eaux. En effet, les points d’eau de surface (oueds et lacs collinaires) et
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 37 Chapitre II : Contexte physique de la zone d¶étude souterraine (nappes phréatiques) font partie des éléments favorisant la sédentarisation des populations en Tunisie centrale.
La densité de la population varie actuellement entre 50 et 100 habitants par km2 dans les principales délégations reparties sur le bassin versant du Merguellil (Tableau 2.6). Elle dépend de la présence des ressources en eau. A titre d’exemple le secteur Est de la délégation d’El Ala a une densité plus de deux fois supérieure à celle de la zone Ouest (150 contre 60 ha/km2). Le taux moyen annuel d’accroissement de la population est d’environ 1.5% sur la région, il est trois fois plus important dans les milieux urbains que dans les zones rurales. L’augmentation des populations urbaines s’accompagne d’une diminution progressive de l’habitat dispersé qui constituait jusqu’au milieu des années 1980 plus de la moitié de la population de la zone d’étude (Tableau 2.6).
La population de la zone est jeune, en effet plus de la moitié de la population a un âge inférieur à 20 ans (Figure 2.10). Son pouvoir d’achat est globalement faible, avec un revenu moyen par habitant inférieur à 200 Dinars par mois, issu essentiellement de l’agriculture (Dridi, 2000).
Figure 2.10 Pyramide des ages de la population du gouvernorat de Kairouan de l’année 1989 (DGAT, 1995).
Le chômage touche près de 80% de la population active, dont une bonne partie (35% dans la délégation de Haffouz) cherche des emplois saisonniers dans les localités environnantes (DGAT, 1995).
2-7- Conclusion
La zone d’étude est située dans deux gouvernorats de la Tunisie centrale : Kairouan et Siliana. Elle est d’une superficie totale de l’ordre de 1325 Km2. Le bassin versant de l’oued Merguellil limité au barrage d’El Haouareb (1200 km2), qui constitue la grande part de la superficie de cette zone, est constitué d’un relief assez fort avec les altitudes qui varient entre 200 et 1200
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 38 Chapitre II : Contexte physique de la zone d¶étude mètres.
Les cultures, les forêts et les parcours constituent l’essentiel de l’occupation des terres de ce bassin. On y distingue aussi quatre principaux types de sols : les sols peu évolués, les sols calcimagnésiques, les sols d’associations et les sols isohumiques. Les sols halomorphes occupent des étendues très réduites et sont rencontrés seulement dans les dépressions aval de la zone d’étude.
La région étant à vocation essentiellement agricole, les pratiques culturales non adaptées et le surpâturage, associés à une forte agressivité des pluies ont été à l’origine d’une érosion intensive. De ce fait, plusieurs travaux de conservation des eaux et des sols, pour lutter contre l’érosion d’une part et pour améliorer la qualité de vie des paysans d’autre part, ont été entrepris. Les principaux travaux sont les banquettes, et les retenues collinaires. Jusqu’en 1998 une superficie de l’ordre de 200 km2 a été aménagée en banquettes et une quarantaine de lacs et barrages collinaires (dont les sous-bassins couvrent une superficie d’environ 170 km2) ont été mis en place dans le bassin du Merguellil. L’eau des lacs collinaires n’a pas encore été apprivoisée par les paysans, puisque seulement 22% d’exploitants pratiquent la micro irrigation.
La population de la région est globalement jeune avec un faible pouvoir d’achat. Elle est rurale à plus de 80% et seuls quelques petits centres urbains tels que Haffouz, El Ala et Kesra font exception à une ruralité très prononcée.
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 39 3. Données hydrométéorologiques
La collecte et la vérification des données hydrométéorologiques constituent les étapes obligatoires avant d’entamer toute modélisation hydrologique. Ces données se classifient en deux catégories : celles utilisées en entrée des modèles et celles utilisées pour la comparaison des sorties du modèle avec les mesures. Parmi les données hydrométéorologiques pouvant servir en entrée des modèles on peut citer principalement : la pluviométrie et l’évapotranspiration potentielle, la température, etc. Les débits ou les niveaux d’eau dans les rivières peuvent être utilisés pour l’évaluation des performances du modèle en effectuant la comparaison entre les sorties du modèle et les mesures aux différentes stations.
Ce chapitre commencera par une brève description du cadre climatique de la zone d’étude dans laquelle les températures et l’évapotranspiration seront notamment présentées. Il s’ensuivra la présentation et la vérification des données pluviométriques utilisées dans cette étude. Et en définitive, les données hydrométriques mesurées sur les différentes stations du bassin versant du Merguellil seront validées et présentées.
3-1- Aperçu du cadre climatique de la zone d’étude
Le bassin versant de l’oued Merguellil, de par sa localisation, est au centre de deux régions climatiques très différentes : le Nord du pays caractérisé par un climat sub-humide et le Sud dont le climat est aride. Le bassin du Merguellil est ainsi situé dans une classe climatique intermédiaire : le semi-aride. De l’amont (Nord-Ouest) à l’aval (Sud-Est) du bassin versant du Merguellil, le climat varie du semi-aride inférieur à hiver frais au semi-aride supérieur à hiver tempéré (DCES, 1986). Les reliefs des djebels Trozza et Ouesslat situés à l’Est du bassin, avec un climat semi-aride inférieur à hiver tempéré, font cependant exception à cette classification du fait de leurs altitudes.
3-1-1- Les températures du bassin du Merguellil
Les données issues de trois stations météorologiques synoptiques (Kairouan (1901-1979), Makthar (1901-1979) et Sbiba (1964-1982)) montrent que les températures moyennes mensuelles du bassin du Merguellil varient entre 5 et 30°C (Figure 3.1). La période la plus chaude de l’année correspond aux mois de Juin, Juillet, Août et Septembre avec des températures moyennes mensuelles qui dépassent les 20°C. Tandis que la période la plus froide de l’année correspond aux mois de Décembre, Janvier et Février avec des températures inférieures à 10°C.
La température moyenne mensuelle maximale excède 30°C pendant les mois de l’été (Juin, Juillet et Août), alors qu’elle n’est inférieure à 10°C que pendant le mois de Février. La température moyenne mensuelle minimale est inférieure à 10°C entre Novembre et Avril. Chapitre III : Données hydrométéorologiques Pendant le reste de l’année elle est supérieure à ce seuil sans pour autant excéder 20°C. Les températures augmentent de l’amont vers l’aval du bassin versant du Merguellil avec un gradient moyen de 0.4°C tous les 100 mètres d’altitude (Kingumbi, 1997).
Figure 3.1 Températures moyennes mensuelles de la zone d’étude (Kingumbi, 1997)
3-1-2- Vitesses et directions des vents
Dans la région d’étude, les vents faibles (vitesses inférieures à 50 km/h) sont plus récurrents, alors que les vents violents sont rares. Les directions prédominantes des vents sont celles du Nord, Nord-Ouest, et Nord-Nord-Ouest fréquentes en hiver ; et du Nord-Est et Sud fréquentes en été. Deux vents caractéristiques des périodes froides et chaudes sont à signaler : le Jebbali et le Sirocco. Le premier est un vent très froid qui souffle en hiver sur la région à partir des hautes terres algériennes tandis que le second est un vent chaud et sec d’origine saharienne, souvent accompagné de sable, qui peut se manifester à partir du mois d’Avril jusqu’en Septembre (Bouzaiane et Lafforgue, 1986).
3-1-3- Humidité de l’air
L’humidité relative moyenne mensuelle mesurée à la station de Kairouan (située à l’aval) oscille entre 55% et 70% pendant la période froide (hiver), et entre 40% et 55% pendant la période chaude (été) (Bouzaiane et Lafforgue, 1986). L’air passe ainsi d’un état moyennement sec entre Septembre et Avril à un état très sec de Mai à Août.
3-1-4- Evaporation et évapotranspiration
L’évaporation est maximale en été dans les zones les plus basses, elle est minimale en hiver dans les zones d’altitudes aux températures plus fraîches. Le total annuel évaporé au Piche
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 41 Chapitre III : Données hydrométéorologiques varie entre 1336 mm enregistrés à Sbiba (1973-1982) et 2071 mm à Kairouan (1964-1982) (Bouzaiane et Lafforgue, 1986). Proportionnellement à la température, l’évapotranspiration potentielle (ETP) est plus importante pendant les mois de Juin, Juillet et Août où le total mensuel dépasse les 200 mm. Elle est plus faible durant les mois de Novembre, Décembre, Janvier et Février au cours desquels le total mensuel potentiel évaporé et transpiré est compris entre 50 et 100 mm (Figure 3.2).
Figure 3.2 Variabilité annuelle de l’Evapotranspiration potentielle (ETP) mensuelle à Kairouan (Bouzaiane et Lafforgue, 1986)
Figure 3.3 Evolution annuelle de l’évaporation au bac à la station de Fidh Ben Naceur
Le total annuel évaporé au bac Colorado est en moyenne de 2113 mm à la station de Fidh Ben
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 42 Chapitre III : Données hydrométéorologiques Naceur (DCES et IRD, 1993-2001) située au centre du bassin versant du Merguellil (Figure 3.3). Les données de cette station ont commencé en 1993 avec le programme de recherche hydrologique sur les lacs collinaires en milieu semi-aride initié par l’IRD et la Direction CES du Ministère de l’Agriculture.
La figure 3.3 montre, comme on pouvait s’y attendre, que l’évaporation annuelle varie de façon inversement proportionnelle à la pluviométrie annuelle. En effet, les années hydrologiques les plus pluvieuses, telles que 1995-1996 et 1997-1998, ont enregistré des évaporations annuelles moins importantes que les années les moins humides.
3-2- Pluviométrie de la zone d’étude
Les données pluviométriques utilisées ont été récoltées et publiées par la Direction Générale des Ressources en Eau (DGRE) dans les annuaires hydrologiques. Ces dernières ont été implantées, à l’échelle journalière, dans le logiciel Pluviom (Raous et al., 1990) élaboré à l’Institut de Recherche pour le Développement (IRD).
Deux influences (maritime et saharienne) jouent un rôle dans la génération des situations pluvieuses en Tunisie. Saïdi (1977) a recensé cinq typologies de perturbations qui engendrent généralement des pluies : les perturbations du Nord-Ouest, les perturbations du Nord, les perturbations du Nord-Est, les perturbations de l’Ouest et les perturbations sahariennes. Les quatre premières typologies dépendent de la position des anticyclones de la Sibérie et des Açores, entre lesquels se forment des zones dépressionnaires qui peuvent engendrer des déplacements d’air entre l’Islande et l’Afrique du Nord. Dans la cinquième typologie, les courants d’air sahariens, le plus souvent à l’origine des pluies qui touchent tout le pays, s’humidifient en passant d’abord par la mer Méditerranée. Généralement, ce sont surtout les perturbations du Nord-Est (parallèles à la dorsale tunisienne) et sahariennes qui atteignent la zone d’étude. Les autres sont le plus souvent stoppées par les deux principales chaînes montagneuses du pays : la dorsale tunisienne (Nord-Est Sud-Ouest) et la chaîne de Kroumirie (Est Ouest). Quelques situations rares peuvent être à l’origine des pluies dans la zone d’étude ; c’est le cas des pluies exceptionnelles de l’automne 1969 dont l’origine est une combinaison des circulations classiques (dépression sur la péninsule ibérique et masses d’air sahariennes qui se sont humidifiées au large de la côte libyenne et du Golfe de Gabes) et d’une circulation dépressionnaire sur le Golfe de Gascogne inhabituellement à l’origine des pluies sur la Tunisie (Bouzaiane et Lafforgue, 1986).
3-2-1- Réseau des mesures pluviométriques et pluviographiques
Vingt trois stations pluviométriques, situées sur le bassin du Merguellil et dans ses environs, ont été sélectionnées pour cette étude (Figure 3.4). Quelques stations proches ont été combinées pour obtenir un historique plus long. C’est ainsi que la station de Moaz_Ali résulte d’une combinaison des stations de Moazil (1980-1991) et de Fidh Ali (1993-2000) ; la station
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 43 Chapitre III : Données hydrométéorologiques de Hajar_Naceur provient d’une fusion des stations d’Oued Hajar (1970-1990) et de Fidh Ben Naceur (1993-2000) ; et la station d’El Haouareb est formée des stations d’El Haouareb Bled Sbitha (1970-1990) et d’El Haouareb Barrage (1990-2000).
Figure 3.4 Situation géographique des stations des mesures du bassin du Merguellil
Figure 3.5 Nombre de stations pluviométriques en fonction de la durée d’observations annuelles sans lacunes
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 44 Chapitre III : Données hydrométéorologiques Le critère principal utilisé dans cette fusion est la proximité. En effet, les stations fusionnées se retrouvent à une distance inférieur ou égale à 2 km. Par contre, à l’exception de Hajar_Naceur dont la différence d’altitudes entre les stations initiales n’est que de 25 m, on remarque que les autres stations sont caractérisées par des différences d’altitudes plus importantes : 70 mètres pour El Haouareb et 300 mètres pour Moaz_Ali. Nous vérifierons, dans la section suivante, l’homogénéité des séries ainsi constituées par rapport des stations plus longues qui serviront de références locales.
Tableau 3.1 Périodes d’observation des stations pluviométriques de la zone d’étude
Tableau 3.2 Périodes d’observations des stations pluviographiques de la zone d’étude
Les données de ces stations couvrent une période d’environ 40 ans. Les plus récentes d’entre elles ont démarré vers le début des années 1980 tandis que les plus anciennes datent de la fin des années 1950 (Tableau 3.1, Tableau 3.4). Sur ce réseau, la durée minimale des observations par station est de 9 ans, alors que leur durée moyenne est de 25 ans et que
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 45 Chapitre III : Données hydrométéorologiques seulement 7 postes disposent de plus de 30 années d’enregistrements pluviométriques (Figure 3.5).
Globalement huit stations pluviographiques ont été installées sur ce bassin et ses environs par les services du Ministère de l’Agriculture (DCES et DGRE) depuis la fin des années 1960. La plus ancienne est la station d’Oued Hajar qui a fonctionné entre 1970 et 1990, tandis que les plus récentes datent de 1996 (Tableau 3.2). Sans tenir compte des lacunes, la moyenne de la durée des observations n’est que de 10 années par station et seules 3 stations disposent de plus de 10 années d’enregistrement.
Sur le plan spatial, les stations pluviographiques sont inégalement réparties. En effet, comme on peut le remarquer sur la Figure 3.4, la partie Sud du bassin est peu couverte par rapport à la partie Nord qui contient la quasi-totalité des stations pluviographiques.
3-2-2- Vérification des données pluviométriques
3-2-2-1- Méthodes de contrôle des données
Les données pluviométriques de la Tunisie centrale ont fait l’objet de plusieurs études dans le passé. Les principaux travaux ont concerné l’homogénéisation des pluies annuelles de cette région (Lafforgue, 1983 ; Lafforgue et Memi, 1983 ; Camus, 1985 ; Camus, 1986).
La méthode de double masse a été utilisée, dans cette étude, pour le contrôle des données pluviométriques. Cette méthode vérifie l’homogénéité temporelle d’une suite des précipitations annuelles d’une station par rapport à une station homogène dans le temps de la même zone climatique (Brunet-Moret, 1979). Nous avons ensuite utilisé la méthode de l’ellipse de Bois (Musy, 2005) pour contrôler les stations n’ayant pas donné des résultats satisfaisants avec la première méthode.
La méthode de l’ellipse de Bois fait l’hypothèse que la variable à tester Y est liée à la variable test X par une régression linéaire et que les résidus issus de cette régression ont une distribution gaussienne. La méthode consiste à analyser le cumul des résidus de la régression. Ainsi pour un seuil de probabilité a, un point d’abscisse k (k= 1,n) et d’ordonnée la somme S(k) de k résidus se trouve à l’intérieur d’une ellipse centrée au point n/2 et de demi axe P(k) (éq. 2.1). Il y a a % de chance pour qu’un point représentant un cumul soit en dehors de l’ellipse. Lorsqu’un point du cumul se retrouve en dehors de l’ellipse de seuil de signification a alors l’hypothèse que la variable Y soit linéairement liée à la variable X est rejetée.
k()n-k P(k) = U s (2.1) a ()n-1 e
Où Ua est la variable centre réduite de probabilité au non dépassement 1-a/2.
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 46 Chapitre III : Données hydrométéorologiques
3-2-2-2- Comment appliquer les méthodes de contrôle des données
Vu le nombre important des stations, il a fallu trouver une façon plus ou moins objective de choisir les stations de référence ainsi que les stations sous leur influence. Nous avons donc considéré les six postes pluviométriques les plus anciens et qui couvrent le bassin d’amont en aval comme stations de référence : Makthar, Kesra, Ouslatia, Haffouz, El Ala et Sidi Saad. Ensuite nous avons, par la méthode de Thiessen, divisé le bassin du Merguellil en six zones d’influence (Figure 3.6). Les stations de contrôle de chaque zone ont été ainsi rattachées à la station de référence de la zone (Tableau 3.3).
Figure 3.6 Découpage du bassin en zones d’influence pour le contrôle des stations pluviométriques
Dans un premier temps nous avons cependant contrôlé les stations de référence entre elles. Pour cela les stations de Kesra à l’amont et Haffouz à l’aval ont été choisies comme principales. Ainsi Makthar, Ouslatia et El Ala ont été contrôlées par Kesra ; tandis que Ouslatia, El Ala et Sidi Saad l’ont été par Haffouz.
Tableau 3.3 Correspondance entre les stations pluviométriques et leurs zones de référence N° de la zone Station principale Stations à contrôler 1 Makthar Tella et Majbar 2 Kesra Skhira, Gueria et Abdessadok 3 Ouslatia Aïn Jelloula et Hajar_Naceur 4 El Ala Moaz_Ali, Messiouta, Serja et Trozza 5 Haffouz Bouhafna, Sidi Boujdaria, Aïn Baïdha, El Haouareb Barrage et Cherichira 6 Sidi Saad Hajeb El Ayoun
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 47 Chapitre III : Données hydrométéorologiques
3-2-2-3- Mise en °uvre de la méthode de double masse
Pour ce qui est du contrôle des stations de référence, l’application de la méthode de double masse à l’échelle annuelle n’a pas décelé d’anomalies particulières dans les nuages des points des différentes comparaisons. On peut juste y remarquer un saut correspondant à l’année hydrologique exceptionnellement pluvieuse de 1969/70.
Figure 3.7 Représentation des stations pluviométriques présentant des anomalies par la méthode de double masse
Les résultats de l’application de cette méthode à l’échelle annuelle montre que pour la zone 1 un certain changement de pente pour la station de Tella (Figure 3.7 (a)) tandis que Majbar ne montre pas d’anomalies significatives. L’application de la méthode de double masse dans les zones 2 et 6 ne montre pas de points aberrants dans les nuages des points de toutes les stations testées. Pour ce qui est de la zone 3 il y a un changement de la pente à partir des années 1980 à la station d’Aïn Jelloula (Figure 3.7 (b)), alors que la station de Hajar_Naceur se comporte normalement par rapport à la station principale d’Ouslatia.
Pour la zone 4, les stations de Trozza, Messiouta et Serja ne semblent pas présenter un défaut d’homogénéité. Tandis que la station de Moaz_Ali (Figure 3.7 (c)) présente un changement de pente qui serait dû au fait qu’elle est le résultat d’une fusion de deux stations : Moazil qui va de 1980 à 1990 et Fidh Ali qui a commencé en 1993. La méthode de double masse donne de bons résultats pour toutes les stations de la zone 5 à part celle de Bouhafna (Figure 3.7 (d)) qui présente un léger changement de pente vers 1977.
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 48 Chapitre III : Données hydrométéorologiques
3-2-2-4- Mise en oeuvre de la méthode d’ellipse de Bois
La méthode d’ellipse de Bois a été utilisée pour contrôler les stations sur lesquelles nous avons constaté des anomalies en utilisant la méthode de double masse. Ainsi les stations de Tella, Aïn Jelloula, Moaz_Ali et Bouhafna ont été contrôlées par cette méthode en utilisant leurs stations de référence respectives.
Figure 3.8 Contrôle par la méthode de l’ellipse de Bois des stations présentant des anomalies par la méthode de double masse
Les résultats de ce contrôle sont illustrés sur la Figure 3.8. Ils montrent que seule la station Moaz_Ali ne présente pas de défaut d’homogénéité au niveau de signification de 95%. Au seuil de 1%, les stations de Bouhafna et de Tella sont homogènes, alors que celle d’Aïn Jelloula est rejetée pour l’hypothèse d’homogénéité.
Le contrôle des stations de référence entre-elles, par la méthode de l’ellipse de Blois, montre que celles de Makthar et Ouslatia ne sont pas homogènes comparativement à la station de Kesra alors que celles de Sidi Saad et El Ala le sont au seuil de 95% comparativement à la station de Haffouz. A l’intérieur des zones de référence, à l’exception de Skhira, toutes les autres stations ayant été estimées homogènes par la méthode de double masse sont confirmées par la méthode de l’ellipse de Bois. En effet pour Skhira, aux niveaux 5% et 1% de seuil, l’homogénéité est rejetée en référence à Kesra. Nous constatons donc que la plupart des stations pluviométriques du bassin versant du Merguellil ont des données fiables, au moins à l’échelle annuelle. La station d’Aïn Jelloula,
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 49 Chapitre III : Données hydrométéorologiques qui ne permet pas de conclure à l’homogénéité par les deux méthodes de contrôle des données, ne sera pas utilisée dans la suite de cette étude.
3-2-3- Caractérisation des données pluviométriques
3-2-3-1 Caractérisation de la pluie au niveau des stations individuelles
Pour caractériser les pluies de ce bassin au niveau local, les vingt trois stations pluviométriques ont été utilisées. L’écart type et le coefficient de variation des pluies annuelles signalent une assez forte disparité des données des stations du Merguellil (Tableau 3.4). Cette disparité est plus importante pour les stations dont les mesures couvrent les pluies exceptionnelles de l’automne 1969, particulièrement les stations d’Aïn Baïdha, Bouhafna, El Ala, Hajeb El Ayoun et Sidi Saad où les coefficients de variation dépassent 0.50. Le Tableau 3.4 montre aussi que la variabilité annuelle des données pluviométriques augmente du nord vers le sud du bassin du Merguellil. Au nord de ce bassin cette variabilité augmente de l’Est vers l’Ouest, alors qu’au Sud du bassin elle augmente dans le sens contraire (d’Ouest en Est).
Tableau 3.4 Caractéristiques des données annuelles des stations pluviométriques sélectionnées pour cette étude Variable Période d’étude Caractéristiques des données observées Moyenne Médiane Ecart type Coefficient Station Début Fin (mm) (mm) (mm) de Variation Nom Code DGRE Altitude (m) Abdessadok 6388185 787 1980 2000 312 271 82 0.26 Aïn Baïdha 6005311 297 1982 2000 215 184 108 0.50 Aïn Jelloula 6016911 175 1965 2000 317 290 110 0.35 Bouhafna 6137111 300 1966 1989 291 229 219 0.75 Cherichira 6162411 321 1965 2000 273 205 124 0.46 Djebel Trozza 6216811 450 1978 2000 318 277 154 0.48 El Ala 6060211 466 1965 1998 351 312 184 0.52 El Haouareb 6308611 250 1970 2000 244 231 99 0.40 Gueria 6296904 674 1967 1998 357 325 148 0.42 Haffouz 6303811 280 1968 2000 338 317 147 0.43 Hajeb El Ayoun 6303011 350 1958 2000 340 286 204 0.60 Kesra 6366604 989 1966 2000 423 398 138 0.33 Majbar 6406904 855 1980 1998 271 247 83 0.31 Makthar 5410204 900 1965 1998 519 482 161 0.31 Messiouta 6417411 661 1980 1998 240 208 102 0.42 Moaz_Ali 6406211 587 1980 2000 286 255 122 0.43 Hajar_Naceur 6491411 375 1970 2000 275 260 103 0.37 Ouslatia 6506511 460 1962 2000 401 387 139 0.35 Serja (Henchir Bhima) 6321911 450 1980 2000 261 272 106 0.40 Sidi Boujdaria 6623800 215 1974 1986 208 195 45 0.22 Sidi Saad 6658811 238 1956 2000 256 228 132 0.51 Skhira 6584704 600 1974 2000 329 303 102 0.30 Tella 6761404 861 1980 1998 265 240 100 0.38 Conformément à l’allure générale du pays (Sakiss et al., 1991), les pluies diminuent du nord vers le sud et de l’amont à l’aval du bassin versant du Merguellil (Tableau 3.4). On a ainsi en moyenne un gradient pluviométrique d’environ 20 mm par 100 m d’altitude sur ce bassin
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 50 Chapitre III : Données hydrométéorologiques (Kingumbi, 1997).
La représentation des données pluviométriques annuelles montrent que, pour la plupart des stations de ce bassin, les distributions sont normales (Annexe 1). Cependant on remarque que dans la partie Sud et Est du bassin du Merguellil (sur les stations d’Aïn Baïdha, Cherichira, Hajeb El Ayoun et Sidi Saad) les distributions annuelles sont dissymétriques et penchées vers les faibles valeurs.
3-2-3-2 Caractérisation de la pluie au niveau régional
Nous avons calculé, au niveau des bassins jaugés, la pluviométrie moyenne journalière. Ce calcul a été effectué à l’aide des polygones de Thiessen (1911) et en ne tenant compte, à chaque moment, que des stations disposant des mesures. Ainsi plusieurs cartes de répartition spatiale des pluviomètres ont été utilisées, la plus complète de toutes est représentée par la Figure 3.9.
Figure 3.9 Surfaces associées aux postes pluviométriques pour le calcul de la pluie moyenne des sous bassins du Merguellil
Les moyennes calculées pour chaque sous bassin vont de 1966 à 1998 et ont permis d’estimer la pluie annuelle du bassin du Merguellil. Sur la période, la pluie annuelle varie entre 160 et 970 mm, avec une moyenne interannuelle de 325 mm. Par ordre de pluviosité, la moyenne et
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 51 Chapitre III : Données hydrométéorologiques la médiane témoignent que le bassin du Zebbes est moins pluvieux que celui de Skhira (Tableau 3.5). Il témoigne aussi que la partie intermédiaire (Haffouz) est plus arrosée que l’aval du bassin (El Haouareb). La variabilité spatiale, qui tient compte de la corrélation spatiale entre les stations et de la variabilité individuelle des stations pluviométriques (Tableau 3.4), est plus importante sur la région la mois pluvieuse (Tableau 3.5).
Tableau 3.5 Caractéristiques des pluies moyennes annuelles (1966-1998) des sous bassins du Merguellil Variable Sous bassins au niveau de (Pluie annuelle) Skhira (193 Km²) Haffouz (663 Km²) Zebbes (181 Km²) El Haouareb (1192 Km²) Moyenne (mm) 381 339 319 326 Médiane (mm) 336 299 286 285 Ecart type (mm) 147 148 169 148 Coefficient de variation 0.39 0.44 0.53 0.46 Sur le bassin du Merguellil la saison pluvieuse est repartie sur neuf mois, durant lesquels tombent 90% des précipitations. Elle va de Septembre à Mai, avec une moyenne mensuelle de 30 mm. La répartition annuelle est bimodale, avec les pics en automne et au printemps, tandis que l’hiver présente un minimum pluviométrique relatif (Figure 3.10). En été seul le mois de juillet est véritablement sec, en effet les mois de juin et août présentent souvent des séquences pluvieuses orageuses avec de très fortes intensités pluviométriques.
Figure 3.10 Répartition mensuelle des pluies du bassin versant du Merguellil limité au barrage d’El Haouareb (1966-1998)
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 52 Chapitre III : Données hydrométéorologiques
Figure 3.11 Distribution de la pluviométrie annuelle du bassin versant du Merguellil (1966- 1998)
Malgré une allure générale qui reste la même (bimodale), la répartition mensuelle de la pluviométrie est très influencée par les pluies exceptionnelles de l’automne 1969. En effet sans tenir compte de l’année hydrologique 1969/70, les moyennes des mois de Septembre et Octobre baissent chacune de près de 10 mm alors que celles des autres mois restent sensiblement les mêmes.
Figure 3.12 Ecarts centrés réduits de la pluviométrie annuelle du bassin versant du Merguellil (1966-1998)
La distribution des pluies annuelles du bassin versant du Merguellil à El Haouareb est
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 53 Chapitre III : Données hydrométéorologiques unimodale. Elle présente un pic correspondant à la classe de pluies comprises entre 250 et 300 mm, cette classe représente à elle seule plus de 30% de tout l’historique de ce bassin (Figure 3.11).
L’examen de l’évolution temporelle de la pluviométrie de ce bassin met en exergue la pluviométrie exceptionnelle de l’année hydrologique 1969/70. En effet, la pluie de cette année équivaut à trois fois la moyenne interannuelle de tout l’historique. L’année hydrologique 1989/90 apparaît aussi comme une année excédentaire alors que les années 1987/88 et 1993/94 sont les plus déficitaires de tout l’historique. Les écarts centrés réduits sur la pluie annuelle du bassin du Merguellil montrent une longue période déficitaire, comprise entre 1976/77 et 1988/89, qui est encadrée par deux périodes plus ou moins excédentaires (Figure 3.12).
3-2-3-3 Caractérisation des intensités pluviométriques du bassin du Merguellil
Dridi (2000) a étudié, sur des périodes non concomitantes, les intensités maximales en 5 minutes déduites des averses enregistrées sur les trois stations les plus anciennes (Tableau 3.6). Elle a constaté qu’à l’échelle annuelle les faibles intensités (< 10 mm/h) représentent entre 33 et 43% des intensités maximales observées alors que les fortes intensités (> 100 mm/h) ne dépassent pas 5%.
Tableau 3.6 Pourcentages des classes d’intensités correspondant aux différentes stations pluviographiques (Dridi, 2000) Intensité (I) / Station Haffouz (%) Oued Hajar (%) Kesra (%) I < 10 mm/h 33 37 43 10 mm/h < I > 20 mm/h 24 29 22 20 mm/h < I > 30 mm/h 20 14 10 30 mm/h < I > 50 mm/h 9 12 11 50 mm/h < I > 100 mm/h 11 6 9 I > 100 mm/h 3 2 5 Elle a aussi constaté que les proportions des intensités supérieures à 30 mm/h étaient beaucoup plus importantes pendant la saison d’automne qu’au printemps (Tableau 3.7). Ces dernières peuvent atteindre le double des proportions du printemps surtout pendant les mois de septembre et octobre.
Tableau 3.7 Comparaison saisonnière des proportions d’intensités supérieures à 30 mm/h aux différentes stations pluviographiques (Dridi, 2000) Période / Station Haffouz (%) Oued Hajar (%) Kesra (%) Printemps 26 15 28 Automne 39 19 28 Septembre et Octobre 40 33 33 Au moyen de traitements statistiques, elle a tracé les courbes d’Intensités Durées et Fréquences (IDF) de ces trois stations et a déduit les récurrences de certains seuils d’intensité. Ainsi les intensités maximales en 5 minutes de récurrence annuelle varient entre 10 et 20
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 54 Chapitre III : Données hydrométéorologiques mm/h, alors que celles d’une récurrence décennale varient entre 65 et 120 mm/h.
3-2-4- Reconstitution des données pluviométriques manquantes
Toutefois, les 23 stations sélectionnées comportent beaucoup de lacunes. Pour utiliser leurs données dans la modélisation il fallait d’abord reconstituer les données manquantes. Nous avons utilisé la méthode d’interpolation de Thiessen pour déterminer les stations du bassin qui seront prises en compte dans la modélisation. Nous aboutissons à l’exclusion de 2 stations supplémentaires (Figure 3.13) qui sont suffisamment éloignées du bassin du Merguellil pour être prises en compte par la méthode d’interpolation considérée (Makthar et Serja). Trois stations (Aïn Jelloula, Makthar et Serja) ne seront pas considérées dans la suite, ce qui fait que nous avons en définitive 20 stations pluviométriques qui seront utilisées dans la modélisation des écoulements de ce bassin.
Figure 3.13 Couverture spatiale des zones météorologiques utilisées dans la modélisation du bassin de l’oued Merguellil
Pour combler les lacunes, nous avons établi des coefficients de corrélation de Pearson entre les stations et leurs stations principales respectives. En ce qui concerne les stations de Tella et Majbar nous avons par contre utilisé Kesra comme station de référence parce qu’avec Makthar nous avons obtenu un coefficient non significatif. Ces corrélations ont été effectuées au pas de temps mensuel et non à l’échelle journalière car les nuages des points présentaient beaucoup de dispersion. Les résultats montrent que la plupart des corrélations sont significatives avec un coefficient de corrélation supérieur à 0.8 (Annexe 2).
Nous avons ainsi répertorié, sur la période 1969-1998, 132 années stations qui comportent des
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 55 Chapitre III : Données hydrométéorologiques lacunes sur un total de 580 années stations. Ces lacunes ont été complétées par régression linéaire simple, ce qui nous a permis d’avoir une base de données pluviométriques complète, prête à être utilisée dans la modélisation hydrologique.
Pour estimer l’incertitude due à la reconstruction des chroniques par des régressions linéaires entre les stations, nous avons calculé la pluie moyenne spatiale du bassin du Merguellil pour l’année hydrologique 1984/1985 (349 mm) par les polygones de Thiessen (Figure 3.9). Cette année (1984/1985) a été choisie en tenant compte du fait qu’elle constitue une période où toutes les stations pluviométriques ne comportent aucune lacune (Tableau 3.1). Nous avons, par la suite, sélectionné la période où il y avait le plus de lacunes dans les mesures : l’année hydrologique 1972/1973 avec 11 stations comportant des lacunes a été ainsi sélectionnée (Tableau 3.1). En utilisant les régressions linéaires de l’annexe 2, nous avons reconstitué les données journalières de ces stations sur la période 1984/1985 avec lesquelles nous avons calculé une nouvelle moyenne spatiale annuelle (353 mm) par les polygones de Thiessen. Nous aboutissons à une erreur de la pluie moyenne annuelle reconstituée sur le bassin du Merguellil inférieur à 2% par rapport à la moyenne calculée par les mesures réelles. Cette valeur indique la faible incertitude sur le bilan annuelle introduite par la reconstitution des chroniques par les régressions linéaires.
3-3- Hydrométrie de la zone d’étude
La base de données hydrométriques utilisée ici a été constituée par la Direction Générale des Ressources en Eau (DGRE) et vérifiée en collaboration entre la DGRE et l’IRD. Cette base a été implantée dans le logiciel Hydrom (Cochonneau, 1989 ; Boyer et al., 1994) habituellement utilisé par l’IRD dans le traitement des données hydrométriques. Ces données sont sous format de débits instantanés issus des jaugeages et de la conversion des hauteurs en débits à l’aide des courbes de tarage élaborées pour différentes stations de ce bassin (Bouzaiane et Lafforgue, 1986 ; Tchatagba, 1998). Après vérification de ces données instantanées nous avons calculé par intégration un fichier de débits moyens journaliers pour chaque station de ce bassin.
3-3-1- Réseau hydrographique
Le réseau hydrographique du bassin versant du Merguellil est constitué d’un cours d’eau principal qui prend naissance sur les flancs sud du plateau de Makthar et a pour exutoire la grande plaine de Kairouan. Il prend, de l’amont vers l’aval, différents noms : l’oued Bahloul, l’oued Skhira, l’oued Kerd et enfin l’oued Merguellil.
Le bassin versant du Merguellil étant soumis à une forte érosion, son réseau hydrographique est constitué d’un chevelu très développé (Figure 3.14). Cependant, on peut distinguer trois principaux affluents en rive droite. Il s’agit, d’amont en aval, de l’oued Morra qui rejoint l’oued Merguellil après la station de Skhira et qui draine un sous bassin d’une centaine de
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 56 Chapitre III : Données hydrométéorologiques km2. Ensuite il y a l’oued Zebbes qui prend naissance sur le plateau d’El Ala et qui draine une superficie d’environ 200 km2 à sa confluence avec le Merguellil. Enfin, l’oued Ben Zitoune draine le flanc sud du djebel Trozza.
Figure 3.14 Réseau hydrographique et stations hydrométriques du bassin du Merguellil
Le réseau hydrographique est caractérisé, à l’amont, par de faibles largeurs. A l’aval, l’oued Merguellil est très étendu en largeur et peut atteindre 1 Km. Dans ces zones les lits des oueds sont d’ailleurs très sableux alors qu’à l’amont ils sont plus rocheux. A l’aval, les cours d’eaux sont ainsi plus exposés aux phénomènes d’érosion et de sapements des berges, ce qui fait que leurs lits peuvent changer de forme d’une crue à une autre.
3-3-2- Stations des mesures hydrométriques
Plusieurs stations hydrométriques ont été implantées sur les cours d’eau du bassin versant du Merguellil. Nous en avons sélectionné quatre situées sur les principaux sous bassins et pour lesquelles nous disposons des données hydrométriques. Ces stations sont, de l’amont vers l’aval, Skhira, Haffouz, Zebbes et Sidi Boujdaria et les débuts de leurs mesures sont très variables : entre 1965 et 1996 (Tableau 3.8).
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 57 Chapitre III : Données hydrométéorologiques Tableau 3.8 Périodes d’observation des principales stations hydrométriques du bassin versant du Merguellil
En ce concerne les moyens matériels, ces stations sont généralement équipées de batterie d’échelle, de limnigraphe, de téléphérique et éventuellement d’un poste radio d’annonce des crues. Les moyens humains sont constitués essentiellement d’observateurs qui résident sur place, des hydrologues du CRDA de Kairouan et de l’IRD qui effectuent des visites mensuelles pour la maintenance des équipements.
Nous disposons aussi des apports au niveau du barrage d’El Haouareb calculés dans le cadre d’une étude du bilan de cette retenue (Kingumbi, 1999 ; Kingumbi et al., 2004). Les caractéristiques morphologiques des sous-bassins limités à ces stations hydrométriques figurent dans le Tableau 2.2.
3-3-3- Vérification des données hydrométriques
3-3-3-1- Anomalies et lacunes dans les données hydrométriques journalières
Nous avons constaté quatre types d’anomalies dans la base des données hydrométriques. La première anomalie concerne des lacunes qui n’existent qu’au niveau des stations de Haffouz et Sidi Boujdaria (Tableau 3.8). Le deuxième type d’anomalies concerne des gros événements pluviométriques qui n’ont pas été suivis par des écoulements conséquents. Nous avons considéré des évènements qui contiennent au mois une journée dont la lame précipitée, calculée sur un sous bassin de la station hydrométrique, dépasse 10 mm. Ces cas se retrouvent au niveau de toutes les stations hydrométriques du bassin du Merguellil. Le troisième type d’anomalies concerne des événements qui ont produits d’importants écoulements à Skhira mais qui n’ont pas été enregistrés à Haffouz. Tous les évènements dans lesquels une différence de flux entre ces deux stations est supérieure à 0.5 m3/s ont été considérés. Le dernier et quatrième type d’anomalies concerne les événements pluvieux qui ont produit des débits qui nous semblent plus importants que les pluies à leur origine. Globalement les évènements dont la pluie est inférieure à 5 mm et qui ont produit un débit moyen journalier dépassant 1 m3/s ont été considérés.
3-3-3-2- Comparaison des pluies et des débits journaliers au niveau des sous bassins du Merguellil
Dans cette section nous avons voulu comparer la pluviométrie moyenne calculée à l’aide des polygones de Thiessen au niveau de chaque sous bassin avec les débits mesurés à leur
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 58 Chapitre III : Données hydrométéorologiques exutoire (Figure 3.15). Cette comparaison à l’échelle journalière montre que pour le sous bassin de Skhira il y a une multitude d’événements pluvieux importants qui n’ont pas été suivis par des écoulements (Figure 3.15a). En revanche, toute crue majeure est consécutive à un événement pluvieux. Mais parfois les volumes des crues sont plus importants que ceux des pluies correspondantes.
Pour le bassin de Haffouz (Figure 3.15b), en plus des observations signalées précédemment, plusieurs lacunes dans les mesures hydrométriques ont été signalées. Pour le bassin de Zebbes (Figure 3.15c), les crues sont bien en concordance avec les pluies qui sont à leur origine à l’exception de l’un des plus forts débits enregistré à cette station (mesuré le 12 Décembre 1996) qui ne correspond à aucune pluie. Etant donné que la valeur pluviométrique utilisée vient de deux stations (Figure 3.9) qui n’ont enregistré aucune pluie ce jour, c’est la chronique de débit qui n’aurait pas été suivie correctement.
Figure 3.15 Comparaison journalière de la pluie moyenne sur les sous bassins des stations hydrométriques du Merguellil et des débits moyens mesurés à leurs exutoires
Pour ce qui est du barrage d’El Haouareb (Figure 3.15d), il est à souligner que c’est la station qui présente le meilleur synchronisme entre les apports journaliers et la pluie moyenne calculée sur le bassin.
3-3-3-3- Comparaison des pluies et des débits à l’échelle des évènements pluvieux
Dans les séries des débits disponibles, nous avons recherché les événements les plus importants. Ces événements ont été recherchés en se fixant comme critère une augmentation de débit supérieure ou égale à 0.5 m3/s. Pour ce qui est de la fin des événements, le critère pris en compte consistait à définir la fin de l’événement lorsque le débit journalier devenait inférieur ou égal à 0.1 m3/s. Ces seuils ont été retenus par rapport aux valeurs des débits
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 59 Chapitre III : Données hydrométéorologiques journaliers, mesurés aux différentes stations hydrométriques, correspondants à des situations d’étiage. Il a été ainsi constaté que, à l’exception de l’année hydrologique exceptionnelle 1969/1970, les débits journaliers excédents 500 l/s correspondent à des situations de montée des eaux à toutes les stations hydrométriques observées sur de longues durées (Skhira, Haffouz et Sidi Boujdaria). Par ailleurs, à toutes ces stations, les débits inférieurs à 100 l/s correspondent à des situations de basses eaux.
3-3-3-3-a- Station hydrométrique de Skhira
En utilisant les critères de sélection cités ci-haut nous avons obtenu pour la station hydrométrique de Skhira 199 évènements sur la période 1974-1998 (Figure 3.16). Nous avons recensé 10 évènements dont les volumes étaient relativement forts comparativement aux pluies, 2 évènements dont les volumes étaient relativement faibles comparativement aux pluies qui sont à leur origine, et 7 évènements dont les pluies sont quasi nulles alors que les débits correspondant sont relativement élevés.
Figure 3.16 Comparaison pluie-volume des évènements sélectionnés à la station hydrométrique de Skhira (1974-1998)
3-3-3-3-b Station hydrométrique de Haffouz
En utilisant ces critères nous avons obtenu, sur la période allant de septembre 1966 à août 1998, 200 évènements. Cependant, comme certains s’étendaient sur plusieurs dizaines de jours voir même des centaines de jours, leur examen plus détaillé a permis de les subdiviser en plusieurs événements plus courts. En totalité, un ensemble de 247 événements a été recensé.
La représentation des pluies en fonction des volumes apportés par chaque évènement a donné
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 60 Chapitre III : Données hydrométéorologiques la Figure 3.17 sur laquelle on a ajusté une régression polynomiale. De façon générale nous constatons que l’ajustement est de plus ou moins bonne qualité avec un coefficient de détermination de 0.85.
Figure 3.17 Comparaison pluie-volume des évènements sélectionnés à la station hydrométrique de Haffouz (1966-1998)
Cependant quelques évènements s’écartent de l’allure générale. Plus de 70% des 18 évènements qui présentent des volumes relativement excessifs par rapport à la pluie à leur origine se situent dans la période 1976-1989, période durant laquelle il a été constaté une relative diminution de la pluviométrie par rapport aux périodes antérieure et postérieure (Kingumbi, 2001). D’autre part, nous avons par la suite trié les évènements en fonction de leur pluie, ceci a permis d’isoler 9 évènements dont les pluies sont jugées trop faibles par rapport aux débits produits.
3-3-3-3-c- Station hydrométrique de Sidi Boujdaria
Soixante quatorze événements ont été détectés sur la période 1974-1986. La représentation des volumes en fonction des pluies qui sont à leur origine a donné la Figure 3.18. Il en ressort aussi trois types de réponse à la pluie avec les volumes apportés très forts, très faibles ou intermédiaires.
Le premier type d’évènements dont les débits sont relativement supérieurs est composé d’un effectif de 16 éléments. On peut citer à titre d’exemple l’événement du 27 au 28 Mai 1976 qui, avec une moyenne de 5 mm sur ce sous bassin, a apporté près de 5 millions de m3 alors qu’un événement ayant la même quantité de pluies apporte un volume de l’ordre de 0.6 million de m3 en moyenne.
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 61 Chapitre III : Données hydrométéorologiques
Figure 3.18 Comparaison pluie-volume des évènements sélectionnés à la station hydrométrique de Sidi Boujdaria (1974-1986)
Dans le deuxième type de réponse on observe 10 évènements. L’événement du 11 au 13 novembre 1982 en est l’exemple. En effet, avec une pluie de 47 mm, cet évènement n’a apporté qu’un volume de 1 million de m3 alors que les évènements de même ordre de pluies apportent en moyenne un volume de 10 millions de m3.
Le dernier type de réponse donne 48 événements dont nous avons ajusté une régression polynomiale d’ordre 2 entre leurs volumes et leurs pluies (Figure 3.18).
Nous avons aussi examiné s’il n’y avait pas d’importants évènements pluviométriques qui n’avaient pas été suivis par des apports. Au début nous avons considéré tous les évènements dont la moyenne pluviométrique sur le bassin dépassait 5 mm. Après nous avons fait le tri en considérant premièrement la somme de pluies apportées par l’événement. Ainsi, tous les évènements dont le cumul pluviométrique dépassait 30 mm ont été sélectionnés. Ensuite nous avons considéré en plus tous les évènements dont la moyenne journalière dépassait 10 mm. Et enfin tous les événements, qui comportent un jour durant lequel la moyenne journalière calculée sur le bassin est supérieure ou égale à 10 mm ont été sélectionnés. Ces trois critères nous ont permis de sélectionner en tout 18 évènements pluvieux qui n’avaient pas étaient détectés en considérant seulement les débits comme critère de sélection. A titre d’exemple on peut citer l’évènement du 9 au 10 janvier 1983 dont la pluie était de 34 mm et qui n’a produit que 0.02 millions de m3 soit un débit moyen journalier de 70 l/s.
Il en ressort qu’il y a 18 évènements qui n’ont pas été suivi de mesures et dont la période n’a pas été signalée comme comportant des lacunes dans les données hydrométriques de cette station. Ces évènements peuvent correspondre aux erreurs humaine (crues non jaugées) ou
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 62 Chapitre III : Données hydrométéorologiques d’appareillage (limnigraphe bloqué ou hors service).
3-3-4- Caractérisation des données hydrométriques
3-3-4-1- Station hydrométrique de Skhira
La station de Skhira est installée sur l’oued Merguellil et couvre sa partie amont d’une superficie d’environ 200 Km². Elle a été installée en 1974 sur une section rocheuse qui lui confère une bonne stabilité (Rabhi, 1997).
Figure 3.19 Répartition annuelle de la lame mensuelle écoulée à la station hydrométrique de Skhira (1974-1998)
Sur cette station, la lame annuelle écoulée estimée par intégration des hydrogrammes varie entre 2 et 67 mm avec une moyenne interannuelle de 32 mm. L’évolution annuelle de la lame écoulée montre que le mois de Septembre est de loin le plus riche en écoulement avec plus de 7 mm, tandis que Juillet est le mois le plus pauvre avec moins de 1 mm (Figure 3.19). On constate que les pluies orageuses du mois d’Août produisent beaucoup d’écoulement par rapport à leur quantité relativement faible. Sur le plan saisonnier, l’automne (avec 38% des écoulements) est plus productif, suivi du printemps (avec 25% des écoulements) et de l’été (avec 20% des écoulements). Malgré un total pluviométrique plus important que celui de l’été, l’hiver est la saison la moins productive d’écoulement avec une proportion de 17%.
Les années hydrologiques 1989/90 et 1995/96 ont été les plus riches en écoulement avec plus de 50 mm écoulés tandis que l’année 1983/84 a été la moins productive avec moins de 3 mm écoulés. Ces années se distinguent bien sur la figure des écarts centrés réduits calculés à partir de la variable lame annuelle écoulée (Figure 3.20). Cette figure montre aussi une période d’une sécheresse prolongée (1976/77–1988/89) concomitante à celle constatée dans la
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 63 Chapitre III : Données hydrométéorologiques pluviométrie annuelle (Figure 3.12).
Figure 3.20 Ecarts centrés réduits de la lame écoulée à la station hydrométrique de Skhira (1974-1998)
3-3-4-2- Station hydrométrique de Haffouz
La station de Haffouz a été installée sur l’oued Merguellil en 1965 (Bouzaiane et Lafforgue, 1983). A l’exutoire d’un bassin d’environ 675 Km², cette station a la particularité de se situer sur une section sableuse, instable pendant les périodes des crues.
Les données de cette station comportent plusieurs lacunes notamment pendant les années hydrologiques 1966/67, 1967/68, 1974/75, 1985/86, 1987/88, 1991/92, 1992/93, 1993/94, et 1994/95. A l’échelle journalière, la durée des lacunes varie d’une journée à trois semaines. En considérant les années sans lacunes, la lame annuelle écoulée varie entre 6 et 277 mm. La lame moyenne interannuelle écoulée est de 30 mm sans tenir compte de l’année exceptionnelle 1969/70, elle devient 40 mm si on en tient compte.
La répartition annuelle de la lame écoulée montre que, avec 6 mm, le mois de septembre est de loin le mois le plus riche en écoulement, tandis que juillet est le plus pauvre (Figure 3.21). On constate que les pluies orageuses du mois d’août produisent beaucoup d’écoulement par rapport à leur quantité relativement faible. Contrairement à la station de Skhira, la répartition saisonnière de la lame écoulée à Haffouz est la même que celle de la pluviométrie. Ainsi la saison d’automne (avec 42% des écoulements) est la plus productive, suivie du printemps (avec 28% des écoulements), ensuite l’hiver (avec 16% des écoulements) et enfin l’été (avec 14% des écoulements).
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 64 Chapitre III : Données hydrométéorologiques
Figure 3.21 Répartition annuelle de la lame mensuelle écoulée à la station de Haffouz (1970- 1998)
3-3-4-3- Station hydrométrique de Zebbes
La station de Zebbes n’a été installée qu’en 1996 (Dhaoui, 1998). Elle draine le sous bassin de l’oued Zebbes d’une superficie d’environ 180 Km². Sur la période considérée (1996-1998), la lame annuelle écoulée à cette station (6 mm) est quatre fois moins importante par rapport à celle écoulée à la station de Haffouz (24 mm). A première vue le bassin du Zebbes produirait moins d’écoulement par rapport à celui de Skhira situé à l’amont et qui est de superficie voisine. Cependant, cette hypothèse reste à confirmer étant donné l’historique des mesures disponibles.
3-3-4-4- Station hydrométrique de Sidi Boujdaria
La station de Sidi Boujdaria a été mise en place en 1974 (Bouzaiane et Lafforgue, 1983) et draine un bassin d’une superficie d’environ 890 Km². Elle a fonctionné jusqu’au début des travaux de construction du barrage d’El Haouareb, en 1986. Cependant quelques jaugeages en étiage ont continué à être effectués jusqu’à aujourd’hui.
3-3-4-5- Données issues du bilan du barrage d’El Haouareb
A l’exutoire du bassin versant du Merguellil, il y a le barrage d’El Haouareb qui a été mis en eau en août 1989. Une étude sur le bilan et la modélisation de sa retenue (Kingumbi, 1999) a permis de calculer les apports journaliers parvenant à ce barrage. Nous avons considéré que les apports calculés par ce bilan constituaient les données d’une station fictive située à El Haouareb. Le bassin versant ainsi suivi est d’une superficie d’environ 1200 Km².
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 65 Chapitre III : Données hydrométéorologiques D’après cette étude, la lame annuelle écoulée au barrage d’El Haouareb (sur la période 1989- 1998) varie entre 5 et 35 mm avec une moyenne interannuelle de 21 mm. La variation annuelle montre que le mois de septembre, avec 5 mm, est le plus riche en écoulement et que juillet est le plus pauvre (Figure 3.22). La saison d’automne constitue 44% des écoulements, l’hiver 24% des écoulements, l’automne 23% des écoulements et l’été 9% des écoulements.
Figure 3.22 Répartition annuelle de la lame mensuelle écoulée au barrage d’El Haouareb (1989-1998)
3-3-4-6- Conclusion
Les méthodes mises en °uvre pour vérifier les données hydrométriques montrent que ces dernières comportent beaucoup d’anomalies. A titre d’exemple, la comparaison des débits et des pluies mesurés aux différentes stations pendant les principaux évènements survenus durant leur historique dégage un nombre assez important d’évènements qui s’écartent du comportement moyen : 10% des évènements à Skhira, 14% à Haffouz et 48% à Sidi Boujdaria. Etant donné que nous ne pouvons déterminer avec certitude l’origine de chaque déviation, il est plus convenable d’utiliser l’ensemble des données hydrométriques dans le calage du modèle.
La lame ruisselée diminue de l’amont vers l’aval du bassin du Merguellil. En effet la lame moyenne annuelle mesurée à la station de Skhira (1974-1998) située à l’amont est d’environ 32 mm, celle de la station de Haffouz (1970-1998) située au centre est de 30 mm alors que celle d’El Haouareb (1989-1998) située à l’aval est de 21 mm. Ceci est conforme à l’évolution des pluies moyennes des sous bassins aux différentes stations hydrométriques. Ce constat semble aussi découler du fait que les superficies des bassins jaugés augmentent de l’amont vers l’aval. Malgré le peu de mesures hydrométriques à la station de Zebbes (située au centre
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 66 Chapitre III : Données hydrométéorologiques du bassin), ce constat est conforté par le fait que la lame ruisselée à Skhira (36 mm) est très supérieure à celle mesurée à Zebbes (6 mm) sur la même période (1996-1998), alors que leurs superficies sont très proches.
3-3-5- Caractérisation chimique des eaux de l’oued Merguellil
Il n’existe pas, dans le bassin du Merguellil, des mesures systématiques de la qualité chimique des eaux. Cependant, quelques mesures ont été effectuées par la DGRE aux différentes stations hydrométriques. Nous disposons d’une cinquantaine de mesures, couvrant la période 1979-2004, faites aux stations hydrométriques de Skhira et Haffouz, ainsi qu’au barrage d’El Haouareb. D’autres données ont cependant été récoltées et étudiées par Hervieu (2000).
Comme on peut s’y attendre, dans le bassin du Merguellil la minéralisation des eaux de surface augmente de l’amont vers l’aval (Figure 3.23). Hervieu (2000) a montré que ceci est plus visible en période d’étiage où les concentrations moyennes varient de 1.2 g/l (à la station de Skhira) à 4.7 g/l (à la station de Sidi Boujdaria). Il a mis en évidence la même tendance en période de crues, mais de façon plus discrète, avec les concentrations moyennes variant entre 0.65 g/l à Skhira et 0.90 g/l à Sidi Boujdaria.
Figure 3.23 Evolution temporelle de la minéralisation des eaux du Merguellil aux stations de (a) Haffouz (b) Sidi Boujdaria (Hervieu, 2000) Ces valeurs montrent ainsi que les périodes d’étiages sont caractérisées par une plus forte minéralisation des eaux. Les eaux d’étiages se chargent en ions dans leur lente traversée des couches souterraines. Pour ce qui est des eaux des crues, étant donné la rapidité de leur mouvement sous ces latitudes (temps de concentration de moins d’une journée pour le bassin du Merguellil), elles n’ont pas le temps de se charger en éléments dissous.
Il a été aussi remarqué que, entre les deux saisons les plus pluvieuses, le printemps est caractérisé par une plus forte minéralisation des eaux par rapport à la saison automnale. Ceci pourrait s’explique par la part des débits d’étiages (plus chargée) plus importante au printemps qu’en automne. Une autre explication serait que les pluies du printemps rencontrent un sol bien protégé par la végétation ce qui fait qu’elles ont le temps de s’infiltrer dans le sol et d’avoir un contact plus prolongé avec ce dernier.
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 67 Chapitre III : Données hydrométéorologiques L’évolution temporelle de la concentration des eaux d’étiages aux différentes stations montre que les stations de Haffouz et de Skhira n’ont pas connu de changements significatifs et que leur moyenne est d’environ 1.2 g/l (Figure 3.23a). Alors que la station de Sidi Boujdaria a connu une évolution croissante depuis le début des années 1970 jusqu’à aujourd’hui. Cette augmentation de la minéralisation des eaux du Merguellil à cette station, qui est passée d’une moyenne de 2 à 5 g/l (Figure 3.23b), serait une conséquence de la baisse continue de la contribution de la nappe de Bouhafna, connue pour sa faible minéralisation, aux débits d’étiage de l’oued Merguellil.
Figure 3.24 Diagramme de Piper des eaux de l’oued Merguellil aux stations hydrométriques de Haffouz, Skhira et Zebbes ; ainsi qu’au barrage d’El Haouareb.
A partir des données récoltées, un diagramme de Piper des eaux de l’oued Merguellil a été établi aux différentes stations hydrométriques (Figure 3.24). Elles montrent généralement que les eaux présentent un faciès sulfaté calcique. Il existe, cependant de petites différences entre les données des différentes stations. Le faciès de la station amont de Skhira se déplace du pôle sulfaté vers le pôle chloruré sodique alors que celui de la station Haffouz située à l’aval tend vers le pôle bicarbonaté (Figure 3.24).
3-4- Conclusion
Le bassin versant du Merguellil est située dans une région caractérisée par un climat semi- aride. Les températures moyennes mensuelles sont comprises entre 5 et 30°C. L’hiver
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 68 Chapitre III : Données hydrométéorologiques constitue la période la plus froide de l’année avec des moyennes mensuelles minimales inférieures à 5°. L’été, avec des moyennes mensuelles maximales supérieures à 30°C, est la période la plus chaude de l’année. L’humidité de l’air dans cette région varie entre un état moyennement sec en hiver et un état très sec en été. L’évapotranspiration potentielle mensuelle varie entre 50 et 250 mm. Elle suit les mêmes variations que la température avec des valeurs mensuelles inférieures à 100 mm en hiver et des valeurs qui excèdent 200 mm pendant la saison estivale.
Un total de 23 stations a été sélectionné pour l’étude pluviométrique du bassin du Merguellil. Ces stations, étudiées sur une période de 45 ans (1955-2000), recèlent toutefois de nombreuses lacunes. La durée moyenne des observations par station est de 25 ans mais seulement 7 stations disposent des données qui excèdent 30 années d’observation.
La vérification des données pluviométriques a été effectuée à l’aide de deux méthodes : la double masse et l’ellipse de Bois. Ces méthodes nous ont permis de mettre en évidence quelques anomalies d’homogénéité dans les données annuelles des stations. Cependant seules les données de la station d’Aïn Jelloula ne seront pas prises en compte dans la suite de cette étude parce qu’elles présentent un défaut d’homogénéité. Deux autres stations ont été écartées de la liste des données à utiliser dans la modélisation suite à leur éloignement par rapport au bassin. Un réseau de 20 stations pluviométriques, dont les données seront utilisées dans la modélisation hydrologique, a donc été retenu.
Les pluies annuelles dans ce bassin sont comprises entre 200 et 500 mm. Elles sont caractérisées par un important gradient pluviométrique d’altitude (de 20 mm tous les 100 mètres). Ainsi l’amont est plus arrosé que l’aval du bassin versant du Merguellil.
La pluie annuelle est caractérisée par deux pics, en automne et au printemps. L’automne est caractérisé par une occurrence plus importante des fortes intensités pluviométriques par rapport au printemps, ce qui fait une agressivité des pluies plus importante pendant cette période de l’année. Sur l’ensemble du bassin du Merguellil les faibles intensités sont plus récurrentes alors que les fortes sont rares.
Une carte des zones d’influence des 20 stations pluviométriques qui seront utilisées dans la modélisation hydrologique du bassin du Merguellil a été dressée à l’aide de la méthode des polygones de Thiessen. Ces zones s’appelleront dans la suite des zones météorologiques. Nous avons complété, sur la période 1969-1998, les données de certaines de ces stations qui comportent des lacunes par régression linéaire à partir des stations de longue durée. Nous disposons ainsi d’une base des données pluviométriques de 580 années stations, dont 132 qui comportaient des lacunes ont été complétées.
Quatre stations hydrométriques situées sur les principaux sous bassins du Merguellil présentent un historique intéressant quoique discontinu des données (Skhira, Haffouz, Zebbes
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 69 Chapitre III : Données hydrométéorologiques et Sidi Boujdaria). Nous disposons aussi des apports à l’exutoire calculés par le bilan de la retenue du barrage d’El Haouareb dans une étude antérieure. Les données à ces différentes stations montrent une décroissance de la lame ruisselée de l’amont vers l’aval du bassin, qui corrobore celle constatée sur la pluviométrie. Comme pour la pluviométrie, la distribution saisonnière de l’écoulement est bimodale, avec deux pics en automne et au printemps.
Les données hydrométriques sont caractérisées par un certain nombre d’anomalies regroupées en deux principales catégories : incohérences entre les débits journaliers concomitants mesurés aux différentes stations et incohérences entre les débits et les pluies correspondantes.
La comparaison des débits et des pluies mesurés aux différentes stations pendant les principaux évènements survenus durant leur historique montre un assez important nombre d’évènements qui s’écartent du comportement moyen. Ces évènements représentent 10% du total à Skhira, 14% à Haffouz et 48% à Sidi Boujdaria. Ils montrent ainsi que le comportement douteux des mesures hydrométriques aux différentes stations augmente de l’amont vers l’aval où les stations ont des sections moins stables. En effet, les stations de Haffouz et Sidi Boujdaria présentent des sections sableuses qui peuvent changer d’une crue à une autre ce qui entache la fiabilité de leurs courbes de tarage.
Etant donné que nous ne maîtrisons pas pour chaque évènement l’origine exacte de cette déviation par rapport au comportement moyen, qui peut d’ailleurs être le fait de non linéarité, toutes les données hydrométriques seront utilisées telles quelles dans la modélisation hydrologique.
Diverses études effectuées sur la zone ont montré que les eaux de l’oued Merguellil, dont la minéralisation est faible comparativement aux oueds voisins, sont caractérisées par un faciès sulfaté calcique. Les différentes mesures montrent que le résidu sec augmente de l’amont vers l’aval et qu’il est plus important pendant les périodes d’étiages que les crues. Elles montrent aussi l’augmentation de la minéralisation des eaux du Merguellil à la station de Sidi Boujdaria, qui serait consécutive à la baisse des apports à l’oued par la nappe de Bouhafna connue pour la faiblesse de son résidu sec.
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 70 4. Analyse des données hydrogéologiques
Le bassin de l’oued Merguellil qui s’étend sur une superficie de 1325 Km2 comprend plusieurs aquifères qui couvrent environ 600 Km². Ce bassin est situé dans une région semi- aride où les nappes souterraines constituent la principale source d’approvisionnement en eau. La gestion de cette ressource requiert une bonne connaissance du fonctionnement de ces nappes, ce qui met en exergue la nécessité de disposer des données fiables qui constituent un préalable à la construction d’un modèle représentatif de l’ensemble du système. Les principales nappes en liaison avec ce bassin topographique sont localisées dans sa partie aval (Figure 4.1). Il s’agit des nappes d’Aïn Baïdha, Bouhafna, Cherichira, et Haffouz. Ces dernières sont interconnectées, mais ont été individualisées et étudiées séparément par différents auteurs (Besbes, 1967 ; Hamza, 1976 ; Gribaa, 1997 ; Baba Sy, 1999).
Figure 4.1 Extension spatiale des principales nappes de la zone d’étude L’objet de ce chapitre est d’essayer de présenter une approche allant de la collecte des données, leur analyse et mise en forme, à l’élaboration de données constituant les entrées de la modélisation hydrogéologique. Pour ce faire, nous présenterons dans la première partie la méthodologie adoptée pour le traitement des données hydrogéologiques. Les résultats obtenus seront présentés et analysés Chapitre IV : Analyse des données hydrogéologiques dans deuxième partie. 4-1- Méthodologie de traitement des données hydrogéologiques Les données collectées dans cette étude se rapportent aux affleurements géologiques du bassin du Merguellil, aux formations traversées par les forages et aux différents points d’eau naturels ou creusés par l’homme. A partir des cartes géologiques établies par différents auteurs sur diverses portions de la zone d’étude (Castany, 1952 ; El Ghali et al., 1995 ; El Ghali et Jouirou, 1995 ; Rabhi et Gaid, 1999) nous avons constitué une carte d’affleurements du bassin du Merguellil. Les données relatives aux formations traversées par les différents forages ont été collectées à partir des compte-rendus de forages et des travaux des différents auteurs qui ont travaillé sur la zone et qui ont élaboré des logs stratigraphiques des forages (Besbes, 1967 ; Hamza, 1976). Dans cette étude, trois types de points d’eau ont été recensés : les puits de surface, les sources et les forages. En tout, nous avons recensé environ 500 points d’eau (Figure 4.8) dont 330 puits, 120 sondages et une soixantaine de sources (Amri et Bouzid, 1971 ; CRDA Kairouan, 1974 ; Hamza et Ben Yarou, 1974 ; CRDA Kairouan, 1979 ; CRDA Kairouan, 1985, Gribaa, 1997 ; Baba Sy, 1999). Les localisations géographiques de ces points étant en système de projection Lambert Tunisie des anciennes cartes, nous les avons converties en système de projection UTM pour avoir une base de données superposable avec les nouvelles cartes topographiques de la Tunisie. C’est d’ailleurs dans ce système de projection que la base des données topographiques a été traitée. Pour chaque point d’eau un certain nombre d’attributs éventuellement disponibles ont été saisis : localisation géographique, altitude du terrain naturel, hauteur de la margelle, profondeur totale, profondeur du plan d’eau, transmissivité et coefficient d’emmagasinement. Les estimations temporelles des prélèvements dans les points d’eau ont été récoltées à partir des annuaires d’exploitation des nappes phréatiques (DGRE, 1985-2000) et ceux des nappes profondes (DGRE, 1973-2000). Partant de la carte des affleurements du bassin du Merguellil et de la localisation des différents points d’eau, une délimitation de l’étendue superficielle des systèmes aquifères de ce bassin a été effectuée. L’étendue souterraine de ces aquifères a été esquissée à l’aide des corrélations litho-stratigraphiques élaborées à partir des logs des forages. Les valeurs des transmissivités et des coefficients d’emmagasinement récoltées dans les comptes-rendus des essais de pompage des différents forages nous ont permis de caractériser la variabilité spatiale des caractéristiques hydrodynamiques des nappes. La localisation géographique des points d’eau et le calcul des niveaux piézométriques ont été utilisés pour élaborer, par des méthodes d’interpolation spatiale, des cartes piézométriques des différentes nappes. L’évolution temporelle du niveau piézométrique globale des nappes a été caractérisée à l’aide
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 72 Chapitre IV : Analyse des données hydrogéologiques de l’évolution individuelle de la piézométrie sur plusieurs points d’eau dont les données datent d’une trentaine d’années. Ainsi dans chaque zone tous les piézomètres disposant d’un certain historique des mesures ont été considérés. L’évolution de la piézométrie a été comparée dans chaque zone avec celle des principaux facteurs pouvant l’influencer : la pluviométrie qui est un facteur naturel dont dépend la recharge des nappes et les prélèvements d’eau dans ces nappes qui constituent un facteur anthropique et l’une des sorties des aquifères. 4-2- Synthèse du traitement des données hydrogéologiques 4-2-1- Délimitation des systèmes aquifères 4-2-1-1- Affleurements géologiques du bassin du Merguellil Les principales unités stratigraphiques reconnues en affleurement (Figure 4.2) se suivent de la manière ci-après : v Secondaire
- Trias (T) Les dépôts triasiques affleurent dans les zones fortement tectonisées et se présentent sous deux aspects : stratifié et extrusif. Ils sont situés au niveau des djebels Trozza, Touila et Cherichira. Les formations sont principalement composées des gypses gris-clair, blanc, rouge et noir ; des argiles bariolées et des dolomies grises et sombres. L’ensemble des dépôts correspond à la formation Rhéouis (Burollet, 1956).
- Jurassique (J) Dans la zone d’étude seul le Jurassique supérieur est représenté. Il constitue la formation calcaire Nara (Burollet, 1956) et affleure au niveau des djebels El Haouareb et Touila. Les dépôts se composent de calcaires dolomitiques gris-bleu, et de marnes grises ou verdâtres.
- Crétacé
² Valanginien ² Hautérivien (Cv-h) Cette unité correspond à la formation Meloussi. Elle affleure au niveau des djebels El Haouareb et Touila. Elle correspond à une série à dominance gréso-argileuse et dolomitique.
² Barrémien (Cba) Les dépôts barrémiens correspondent aux formations Bou Hedma et Sidi Aïch. Ils affleurent à l’Ouest et au Nord du djebel Touila et sur les retombées Sud-Est du djebel Trozza. Ils se composent principalement de barres dolomitiques et d’argiles sableuses.
² Albien-Aptien (Cal-ap) La série est visible au niveau des djebels Touila et Trozza. Elle est détritique et formée par une alternance de bans de dolomies rousses, de grès roux et de grès sableux avec des
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 73 Chapitre IV : Analyse des données hydrogéologiques intercalations se sables et de marnes vertes gypseuses ou blanchâtres. La série se termine par un banc dolomitique attribué à l’Albien.
Figure 4.2 Reconstitution de la carte des affleurements géologiques du bassin du Merguellil ² Cénomanien (Cce) Le Cénomanien est présent au niveau du djebel Trozza. Il est entièrement constitué de marnes avec quelques minces intercalations calcaires.
² Turonien (Ct) Le Turonien affleure au niveau des djebels El Haouareb, Touila et Trozza. Il est composé, sur le plan lithologique, d’une alternance de calcaires et de marnes. Les marnes admettent le plus souvent quelques minces niveaux calcaires.
² Coniacien (Cco) Les affleurements coniaciens se rencontrent au niveau des djebels El Haouareb et Trozza. Ils sont constitués, au niveau d’El Haouareb, par une alternance de marnes verdâtres et de calcaires gris bioclastiques légèrement gréseux. Au niveau du Trozza la série est entièrement marneuse avec quelques niveaux de calcaire argileux.
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 74 Chapitre IV : Analyse des données hydrogéologiques
² Santonien (Cs) Les dépôts santoniens apparaissent au niveau d’El Garia et des djebels Trozza et Touila. Ils correspondent à une série essentiellement marneuse admettant quelques barres de calcaires d’une très mince épaisseur.
² Campanien-Maastrichtien (Cca-m) Cette unité correspond à la formation Abiod. Les calcaires de la formation Abiod affleurent dans le secteur d’El Garia et au niveau des djebels Touila et Trozza. La formation est constituée dans la région d’El Garia par une seule barre calcaire d’une puissance de 100 mètres. Au niveau du djebel Trozza, la formation est constituée d’alternances de calcaires blancs (ou beiges) et de marnes vertes. Au niveau du djebel Touila la série présente un faciès exceptionnel gréso-carbonaté. v Tertiaire
- Paléocène (Cm-p) La série paléocène affleure dans le secteur d’El Garia et au niveau des djebels Jebil, Ousselat, Touila et Trozza. Elle correspond à la formation des argiles d¶El Haria. Au niveau du Trozza une coupe sur l’oued Hammam montre une série d’argiles vertes admettant des niches calcaires. Sur le flanc occidental du djebel Ousselat, où le Paléocène est bien représenté, une coupe montre les argiles d’El Haria et on y trouve le passage Paléocène-Yprésien. La série est constituée au niveau du djebel Touila de marnes gris-vert et d’argiles vert-olive avec quelques bancs de calcaires clairs et légèrement gypseuses vers le sommet.
- Eocène
² Yprésien (Ey) La série affleure sur les djebels Ousselat, Trozza et Touila et dans le secteur d’El Garia dont elle tire le nom de calcaires membres d¶El Garia et Bou Dabbous. Elle montre des faciès assez irréguliers d’une zone à l’autre. A El Garia, la série est constituée de calcaires micro- cristallins riches en petites nummulites, de calcaires massifs bioclastiques riches en grandes nummulites, et de calcaires massifs rosâtres pétris de grandes nummulites. Les calcaires à nummulites forment une épaisse dalle (420 m) du djebel Ousselat. Au niveau du djebel Trozza, une série composée de calcaires massifs à nummulites et de calcaires dolomitiques coquilliers constitue une barre saillante dans la morphologie. Au djebel Touila, la série se présente sous un faciès différent constitué d’une unité inférieure de grès à ciment calcaire et d’une unité supérieure de calcaires homogènes parfois dolomitiques.
² Lutétien-Priabonien (El-p) Cette série affleure au niveau des djebels Jebil, Touila et Trozza. Au Jebil la série de l’Eocène moyen à supérieur est à dominance argilo-marneuse. Elle constitue un équivalent latéral des
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 75 Chapitre IV : Analyse des données hydrogéologiques argiles de la formation Souar. Elle est essentiellement argilo-calcaire au niveau des djebels Touila et Trozza.
- Oligocène (O) L’Oligocène affleure sur de larges étendues du bassin du Merguellil et notamment dans les régions de Haffouz et Cherichira et sur les djebels Touila et Trozza. Il comprend une partie inférieure constituée par une accumulation de marnes gypseuses et de grès roux. La partie supérieure est constituée de sables continentaux souvent grossiers à lits de dragées de quartz avec bois silicifiés ou ferrugineux. Cette série constitue la formation Korbous et l’équivalent latéral du membre inférieur de la formation Fortuna (Burollet, 1956) connu sous le nom de « faciès Cherichira ».
² Aquitanien (Ma) Les dépôts aquitaniens sont formés par un conglomérat polygénique correspondant à des alternances de sables blancs à dragées de quartz, des argiles vertes feuilletées, et des barres de grès bioclastiques à ciment calcaire. Ils sont représentés au niveau de l’anticlinal de Jebil et du synclinal d’El Ala. Ils sont aussi présents sur les djebels Hallouf et Touila, mais absents sur le Trozza. Cette série correspond au membre d¶El Haouaria. Ces dépôts sableux évoluent verticalement vers des silts argileux rouges correspondant à la formation Messiouta. Cette formation évolue du nord au sud du synclinal d’El Ala jusqu’à atteindre une puissance d’une vingtaine de mètres d’argiles vertes et rouges.
- Néogène
² Burdigalien (Mb) Le Burdigalien se montre sous plusieurs faciès. Il apparaît sous forme d’une barre soit gréseuse, soit calcaire, soit sous forme conglomératique de puissance variable. On le rencontre aussi sous un faciès marneux plus ou moins sableux. La série affleure au niveau du Cherichira, Trozza, Touila, Hallouf, Sidi Boujdaria, Bateun Damous, Ksar Souissine, et à Aïn Ghorab sur la rive gauche du Merguellil d’où elle tire d’ailleurs le nom de Formation Aïn Ghorab (Burollet, 1956).
² Vindobonien (Mv) Le Vindobonien affleure sous forme de marnes sableuses vertes et de gypses avec de petits bancs de grès bruns à stratifications entrecroisées. Il apparaît au niveau des djebels Aïn Ghorab, Hallouf et Touila. Il est aussi représenté à Zemla et à l’extrémité orientale du djebel Labaied où il couvre d’importantes superficies sur la rive gauche de l’oued Zeroud. Le Vindobonien marin est l’équivalent des formations Oum Douil et Beglia (Burollet, 1956).
² Mio-Pliocène (M-Pl) Le Mio-pliocène est très épais et couvre de grandes étendues dans le bassin du Merguellil. Il est constitué de sables grossiers, de conglomérats à éléments de teinte et d’origines diverses,
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 76 Chapitre IV : Analyse des données hydrogéologiques et de marnes sableuses. Il affleure au Nord Ouest du djebel Cherichira, à Dahra El Beïdha (Haffouz), dans la cuvette d’El Ala, et au niveau des djebels Trozza et Hallouf. v Quaternaire (Q) Le Quaternaire est composé essentiellement de sables, de graviers, de galets, de limons, d’argiles, et de croûtes calcaires. Il affleure sur l’ensemble du bassin, notamment dans les régions de Haffouz et El Ala, et le long des principaux oueds : Merguellil, Zeroud, Ben Zitoune et Zebbes. On le retrouve aussi sur le flan oriental du djebel Trozza, à Argoub Djemel, Kroumet Zemla, Foundouk Loussif et Dahra El Baïdha. 4-2-1-2- Morphologie des principales cuvettes souterraines du bassin du Merguellil A partir des informations sur la nature des formations traversées par les forages, nous avons pu établir des corrélations litho-stratigraphiques dans les principales cuvettes souterraines du bassin du Merguellil. Les Figures 4.3, 4.4, 4.5, 4.6 et 4.7 montrent les corrélations relatives respectivement aux coupes 3, 1, 4, 5 et 2 visualisées sur la Figure 4.2. Ces dernières montrent que : - La cuvette de Bouhafna est un synclinal oligocène d’axe Ouest-Est (Figures 4.3 et 4.4). L’Oligocène affleure sur de grandes étendues à l’Ouest du synclinal (Figure 4.2) alors qu’à l’Est les sondages montrent que le synclinal est limité par des failles (de direction Nord–Sud), ceci fait qu’au Sud-Est du synclinal l’Oligocène de Bouhafna soit recouvert en discordance par le Mioplioquaternaire constituant la cuvette de Haffouz (Figure 4.4).
Figure 4.3 Corrélation litho-stratigraphique dans la cuvette de Bouhafna (coupe n° 3 de la Figure 4.2) - La cuvette de Haffouz est une fosse de remplissage mioplioquaternaire limitée à l’Est et à l’Ouest par des failles qui la sépare des synclinaux oligocènes de Bouhafna et de Cherichira (Figure 4.4). Elle constitue le lieu de jonction des principales structures de la région dont la liaison n’est pas bien établie à cause des profondeurs considérables atteintes par le Mioplioquaternaire. Cette formation est discordante sur les formations antérieures, mais le forage Haffouz 2 (7599) suggère l’absence de l’extension orientale de l’Oligocène puisqu’il montre que le Mioplioquaternaire est discordant sur les calcaires de l’Eocène. Le forage
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 77 Chapitre IV : Analyse des données hydrogéologiques Haffouz 4 (7800) situé plus à l’Est, d’une profondeur de plus de 700 m, n’a traversé aucune formation antérieure (Figure 4.4) au Mioplioquaternaire.
Figure 4.4 Corrélation litho-stratigraphique couvrant les cuvettes de Bouhafna, Haffouz et Cherichira (coupe n° 1 de la Figure 4.2) - Le synclinal Oligocène de Cherichira, dont l’axe est de direction NNE-SSO, fait la liaison entre les djebels Ouesslat et Cherichira (Figure 4.5). Il affleure à l’Est du système et plonge profondément, dans sa partie occidentale, sous le Mioplioquateraine de Haffouz (Figure 4.4).
Figure 4.5 Corrélation litho-stratigraphique dans le synclinal de Cherichira (coupe n° 4 de la Figure 4.2) - La cuvette d’Aïn Baïdha est limitée à l’Est par l’anticlinal d’El Haouareb-Touila et à l’Ouest par celui du Trozza. Elle est constituée de différents types de formations. Au nord de la cuvette on rencontre principalement un remplissage mioplioquaternaire discordant sur des formations calcaires de l’Eocène (Figure 4.6). Au centre et au Sud du bassin on rencontre des formations du Mioplioquaternaire, de l’Aquitanien, de l’Oligocène et de l’Eocène (Figure 4.7). Malgré de nombreux accidents géologiques rencontrés dans le bassin, les corrélations montrent que les différentes formations géologiques sont interconnectées.
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 78 Chapitre IV : Analyse des données hydrogéologiques
Figure 4.6 Corrélation litho-stratigraphique dans la partie septentrionale de la cuvette d’Aïn Baïdha (coupe n° 5 de la Figure 4.2)
Figure 4.7 Corrélation litho-stratigraphique dans les parties centrale et méridionale de la cuvette d’Aïn Baïdha (coupe n° 2 de la Figure 4.2) Ces corrélations montrent aussi que, à l’exception de la cuvette de Haffouz où la formation oligocène est absente, cette dernière est de loin la plus étendue en profondeur dans les autres cuvettes de la zone d’étude. 4-2-1-3- Délimitation des nappes La carte des affleurements montre que dans la partie aval du bassin du Merguellil, qui renferme les principales nappes, les principaux affleurements datent du Quaternaire, Plioquaternaire, Miocène et Oligocène. L’extension de ces derniers a été précisée en étudiant les corrélations litho-stratigraphiques établies dans chacune des quatre cuvettes souterraines. A la lumière de ces résultats, nous avons délimité les aquifères en nappes phréatique et profonde (Figure 4.8) : la première est constituée essentiellement des formations du Miopliquaternaire tandis que la seconde se compose des formations de l’Oligocène et de l’Eocène (Figures 4.4 et 4.7).
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Figure 4.8 Situation des points d’eau (sondages et puits) et délimitation des aquifères du bassin du Merguellil en nappes phréatique et profonde Dans la zone de Haffouz où la formation mioplioquateraine est très profonde, nous avons considéré que sa partie supérieure constituait la nappe phréatique et sa partie inférieure comme faisant partie de la nappe profonde. Pour ce qui est de la délimitation de l’étendue spatiale de ces nappes (Figure 4.8) nous nous sommes basés sur la répartition des ouvrages de captage, les affleurements des couches aquifères et l’orographie de la zone d’étude. 4-2-2- Caractérisation du fonctionnement des nappes 4-2-2-1- Paramètres hydrodynamiques Les transmissivités locales ont été estimées à partir des essais de pompage effectués après l’exécution de chaque sondage et des campagnes d’essais de pompages effectuées pour estimer les caractéristiques hydrodynamiques de la nappe phréatique à partir des puits de surface.
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 80 Chapitre IV : Analyse des données hydrogéologiques
Figure 4.9 Carte de répartition spatiale des valeurs mesurées des transmissivités de la nappe phréatique du bassin du Merguellil Nous disposons pour la nappe phréatique d’une trentaine de mesures effectuées dans la région d’Aïn Baïdha (Hamza, 1976) et de trois points dans la zone de Haffouz dont les mesures ont été effectuées au cours des années soixante (Besbes, 1967). En revanche, nous ne disposons d’aucune mesure de transmissivité dans le secteur d’El Ala. En ce qui concerne la nappe profonde, nous disposons d’une trentaine de valeurs de transmissivité répertoriées dans les comptes rendus des forages. Les transmissivités locales donnent une idée de la perméabilité de l’aquifère dans le voisinage immédiat du puits. Nous avons ainsi localisé sur les limites des nappes les points pour lesquels nous disposons des valeurs de transmissivité (Figures 4.9 et 4.10). Les points d’eau voisins disposant d’une valeur de transmissivité très proche ont été visualisés avec par une seule valeur pour les représenter. De manière générale, nous constatons que la nappe phréatique présente des valeurs de transmissivités faibles, de l’ordre de 10-4 m2/s. La Figure 4.9 montre que dans cette nappe la variabilité de la transmissivité entre les points voisins ne dépasse pas un facteur de dix. Les plus fortes valeurs s’observent dans la région de Haffouz avec des transmissivités variant entre 2.10-4 et 2.10-3 m²/s. La zone d’Aïn Baïdha est caractérisée par de très faibles valeurs comprises entre 7.10-5 et 8.10-4 m²/s. Dans la nappe profonde (Figure 4.10) on constate que les grès oligocènes de Bouhafna sont
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 81 Chapitre IV : Analyse des données hydrogéologiques de loin les plus transmissifs avec une moyenne de 10-2 m2/s. Ailleurs les transmissivités locales sont de l’ordre de 10-3 m2/s sauf dans la partie Centre-Est de la cuvette d’Aïn Baïdha où elles vont jusqu’à 2.10-2 m2/s. La Figure 4.10 montre une très forte variabilité spatiale, entre les points proches, qui peut atteindre un facteur de 50. C’est le cas des points situés à la frontière entre les aquifères des grès oligocènes de Bouhafna et Cherichira d’une part et celui du Mioplioquaternaire de Haffouz d’autre part suite vraisemblablement au changement de faciès. Nous constatons le même phénomène dans la zone d’Aïn Baïdha où plusieurs aquifères en contact sont captés. Le Centre-Est d’Aïn Baïdha est caractérisé par des valeurs plus importantes de transmissivité suite à des profondeurs importantes atteintes par les couches aquifères.
Figure 4.10 Carte de répartition spatiale des valeurs mesurées des transmissivités de la nappe profonde du bassin du Merguellil La nappe phréatique présente une distribution des transmissivités penchée vers les faibles valeurs (Figure 4.11a) alors que celle de la nappe profonde semble être plutôt uniforme (Figure 4.11b).
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 82 Chapitre IV : Analyse des données hydrogéologiques
Figure 4.11 Distributions des transmissivités pour les nappes (a) phréatique et (b) profonde Les valeurs des coefficients d’emmagasinement ont été récoltées des comptes-rendus des essais de pompage de longue durée effectués sur quelques points d’eau. Ces essais ont essentiellement été exécutés dans les forages et concernent la nappe profonde. Nous avons aussi considéré les valeurs utilisées par les modélisations antérieures des nappes de ce bassin (Baba Sy, 1999 ; Gribaa, 1997). Les valeurs des coefficients d’emmagasinement récoltées sont comprises entre 10-3 et 10-5. A titre d’exemple la Figure 4.12 illustre les valeurs de coefficients d’emmagasinement enregistrées dans les zones de Bouhafna et d’Aïn Baïdha.
Figure 4.12 Carte de répartition spatiale des valeurs mesurées des coefficients d’emmagasinement de la nappe profonde du bassin du Merguellil
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 83 Chapitre IV : Analyse des données hydrogéologiques Pour la nappe phréatique, les valeurs de la porosité efficace ont été affectées en considérant l’étude de Baba Sy (1999) dans la nappe d’Aïn Baïdha et celle de Gribaa (1997) dans la nappe mioplioquaternaire de Haffouz. Ces études ont proposé des valeurs de porosités efficaces comprises entre 0.05 et 0.3. 4-2-2-2- Piézométrie des nappes La piézométrie à chaque point a été calculée en partant des données contenues dans la base des points d’eau (altitude, niveau statique et hauteur de la margelle). Les altitudes sont mentionnées par les agents de la DGRE dans les comptes-rendus des forages et sont calculées par une simple interpolation linéaire sur les cartes topographiques. Mis à part les puits utilisés comme piézomètres dont le nivellement a été effectué par Amri (2000), les enquêtes consultées ne mentionnent aucune valeur d’altitude pour les puits de surface. Ainsi les points pour lesquels nous ne disposions pas d’altitude du terrain naturel, leur altitude a été estimée à partir du Modèle Numérique de Terrain du bassin du Merguellil présenté dans le chapitre précédent. Utilisant ces altitudes (TN), les niveaux statiques (NS) et les éventuelles margelles des points d’eau (M), le niveau piézométrique (NP) a été calculé à chaque point pour lequel ces mesures étaient disponibles par l’équation 3.1. NP = TN - (NS - M ) (3.1)
Figure 4.13 Carte piézométrique de la nappe phréatique du bassin du Merguellil (1970) L’interpolation spatiale par la méthode de Krigeage a permis ensuite de calculer les cartes piézométriques des nappes du bassin du Merguellil (Figures 4.13 et 4.14). La carte
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 84 Chapitre IV : Analyse des données hydrogéologiques piézométrique de la nappe phréatique montre qu’elle s’écoule dans la région d’El Ala du sud vers nord (Figure 4.13) où elle est drainée par l’oued Zebbes qui constitue son exutoire naturel. Dans la région de Haffouz, la nappe phréatique s’écoule vers l’oued Merguellil (Ouest et Sud-Ouest) par lequel elle est drainée. Il en est de même dans la région d’Aïn Baïdha où une partie des flux de la nappe s’écoule vers l’oued Merguellil (Nord et Nord-Est) et une autre vers l’oued Zeroud qui constitue l’exutoire méridional de l’ensemble du système (Figure 4.13). La carte piézométrique de la nappe profonde montre les mêmes sens d’écoulement que la nappe phréatique dans la région d’Aïn Baïdha. Dans la partie nord cette carte montre que les flux de la nappe profonde provenant de l’Oligocène de Bouhafna alimente la partie sud de l’aquifère Miopliocène de Haffouz. La piézométrie dans la partie Nord de Haffouz montre qu’elle est alimentée par les flux provenant du djebel Ouesslat. Les écoulements de la nappe profonde convergent vers les sources de Cherichira, les sources du Zeroud et le seuil d’El Haouareb qui constituent ses exutoires naturels (Figure 4.14).
Figure 4.14 Carte piézométrique de la nappe profonde du bassin du Merguellil (1970) 4-2-2-3- Zones d’alimentation et d’exutoire naturel des nappes Les zones d’alimentation et d’exutoire naturel des nappes ont été proposées en partant des
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 85 Chapitre IV : Analyse des données hydrogéologiques cartes piézométriques présentées ci-dessus (Figure 4.13 ; Figure 4.14). D’autre part, nous avons tenu compte des études antérieures (Baba Sy, 1999 ; Gribaa, 1997) qui ont émis des hypothèses quant au fonctionnement des nappes du bassin du Merguellil. Ainsi l’alimentation des nappes se fait par infiltration directe de la pluie aux niveaux des affleurements et par infiltration du ruissellement aux niveaux des piedmonts des principaux reliefs. La nappe profonde s’alimente au niveau des affleurement oligocènes de Bouhafna et Cherichira, ainsi qu’au niveau des djebels Trozza, Touila, et Ouesslat (Figure 4.8). Une alimentation de la nappe profonde par les débits de l’oued Merguellil, lors de son passage sur les affleurements oligocènes de Bouhafna, a été proposée par Gribaa (1997). Pour ce qui est de la nappe phréatique, elle est alimentée par une infiltration directe de la pluie et par l’infiltration du ruissellement au niveau des djebels Ouesslat et Trozza. La nappe phréatique a pour exutoires naturels les différents oueds (Merguellil, Zeroud, Zebbes et Ben Zitoune) qui la drainent. Alors que la nappe profonde a pour exutoires les sources d’Iktifet El Omrane, les sources de Cherichira, les sources du Zeroud ainsi que la nappe de la plaine de Kairouan alimentée à travers le seuil d’El Haouareb. Les estimations des écoulements à travers le seuil d’El Haouareb, qui rejoignent directement la nappe de la plaine de Kairouan, ont été faites par différents auteurs. Dans les différentes études de modélisation de la nappe de la plaine de Kairouan (Besbes, 1978, Cheib, 1988 et Nazoumou, 2002) un flux équivalant à environ 120 l/s a été imposé comme condition aux limites dans cette zone. Baba Sy (1999) est parvenu à un chiffre de 90 l/s, dans son modèle de nappe amont d’Aïn Baïdha qui communique à travers ce seuil avec la nappe aval de la plaine de Kairouan. 4-2-2-4- Evolution temporelle des prélèvements dans les nappes Les prélèvements sont calculés pour la nappe phréatique à partir des estimations effectuées dans les annuaires quinquennaux d’exploitation des nappes phréatiques (DGRE, 1985-2000). Ils sont entachés d’une grande incertitude étant donné qu’ils ne constituent qu’une estimation approximative, effectuée tous les cinq ans, des quantités pompées à partir des campagnes sur le terrain. En ce qui concerne la nappe profonde les mesures des prélèvements sont effectuées par la SONEDE, la DGRE ou les particuliers. Elles sont annuellement répertoriées dans les annuaires d’exploitation des nappes profondes (DGRE, 1973-2000). Ces prélèvements sont beaucoup plus fiables étant donné que chaque ouvrage est muni d’un compteur. Les prélèvements dans la nappe phréatique sont surtout destinés à l’irrigation et essentiellement effectués par de petits exploitants agricoles. Ceux de la nappe profonde sont effectués par divers acteurs : la SONEDE est le plus grand exploitant pour alimenter l’industrie touristique du Sahel, la DGRE possède aussi quelques forages pour l’alimentation en eau potable des populations avoisinantes et enfin les grands exploitants agricoles pour l’irrigation des cultures. L’irrigation se fait aussi par les eaux de surface notamment les
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 86 Chapitre IV : Analyse des données hydrogéologiques prélèvements par des motopompes implantées le long de l’oued Merguellil (Tchabore, 2001) surtout durant les basses eaux.
Figure 4.15 Evolution chronologique des prélèvements dans la nappe phréatique du bassin du Merguellil (DGRE, 1985-2000) L’évolution des prélèvements de la nappe phréatique montre qu’ils sont passés de 30 l/s en 1970 à 170 l/s en 2000. Ainsi, l’exploitation de cette nappe a été multipliée par six en trente ans (Figure 4.15). La région de Haffouz est la plus sollicitée avec plus de la moitié des prélèvements sur tout l’historique. Dans cette région, caractérisée par une importante concentration de puits de surface par rapport au reste de la nappe (Figure 4.8), l’exploitation a atteint près de 100 l/s en 2000. La région d’Aïn Baïdha a aussi connu un important accroissement car les prélèvements qui étaient presque nuls au début des années 1970 ont été estimés à environ 70 l/s en 2000.
Figure 4.16 Evolution chronologique des prélèvements dans la nappe profonde du bassin du Merguellil
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 87 Chapitre IV : Analyse des données hydrogéologiques L’exploitation de la nappe profonde est passée de 300 l/s en 1970 à près de 500 l/s en 2000. Sur tout l’historique, les plus fortes exploitations ont été effectuées vers le début des années 1980 avec un taux de près de 800 l/s, dans le cadre d’une politique de la SONEDE de surexploiter les eaux de cette nappe. La région de Bouhafna est de loin la plus sollicitée avec un flux dont le taux est 4 fois supérieur aux autres régions (Figure 4.16). 4-2-2-5- Evolution temporelle du niveau piézométrique L’évolution dans le temps du niveau piézométrique de la nappe phréatique est observée en utilisant un réseau de 13 puits (Figure 4.17a). La plupart se trouve dans la zone d’Aïn Baïdha où nous recensons huit points (Bir Snoussi, Bir Belgacem Ben Ali, Bir Bellouma, Bir Choubet El Aried, Bir Djellel, Bir Bou Alleg, Bir Tria Ben Fredj, et Bir Aïn Majouna), la zone de Haffouz en possède quatre (Bir El Adhine, Bir pépinière Haffouz 2, Bir Hir El Assel, et Bir Ouled Bourguiba) et un point dans la zone d’El Ala (Bir Pépinière El Ala).
Figure 4.17 Localisation géographique des points d’eau pour lesquels nous disposons d’une chronologie des mesures piézométriques pour les nappes (a) phréatique et (b) profonde. Les mesures sur ces différents points sont le plus souvent incomplètes, c’est le cas pour le Bir Pépinière El Ala où les mesures disponibles ne couvrent que les trois premières années (Figure 4.18b). Si on regarde les piézomètres disposant de plus de données (Bir Djellel (Figure 4.18e) dans la zone d’Aïn Baïdha et Bir El Adhine (Figure 4.18c) dans la zone de Haffouz), on constate que les niveaux piézométriques fluctuent quelle que soit la zone en fonction de la pluviométrie annuelle. Ces piézomètres montrent une certaine baisse du niveau piézométrique de la nappe phréatique depuis les années 1970 jusqu’en 1990, date à laquelle il y a eu une certaine remontée suite à la pluviométrie exceptionnelle de cette période (Kingumbi et al., 2001 ; Kingumbi et al., 2005a). Elle met aussi en exergue une baisse des
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 88 Chapitre IV : Analyse des données hydrogéologiques prélèvements dans la région d’Aïn Baïdha concomitante avec cette hausse des pluies (Figures 4.18a, 4.18d et 4.18e).
Figure 4.18 Evolution chronologique du niveau piézométrique de la nappe phréatique
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 89 Chapitre IV : Analyse des données hydrogéologiques
Figure 4.19 Evolution chronologique du niveau piézométrique de la nappe profonde
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 90 Chapitre IV : Analyse des données hydrogéologiques Dans la région d’Aïn Baïdha, où les barrages d’El Haouareb et Sidi Saad, (mis en eau respectivement en 1989 et 1981) sont en relation avec la nappe phréatique, nous assistons à une remontée piézométrique estimée due à ces ouvrages d’après Baba Sy et Besbes (2001). Ainsi le piézomètre Bir Choubet El Aried (Figure 17d) proche de Sidi Saad a amorcé une remontée piézométrique depuis l’année 1981 tandis que celui de Bir Djellel (Figure 17e) proche d’El Haouareb a enregistré une remontée à partir de 1989. Le suivi temporel du niveau piézométrique de la nappe profonde est effectué par plusieurs piézomètres. Nous en avons sélectionné 13 qui couvre l’ensemble de la nappe (Figure 4.17b) : un dans la zone de Cherichira (Cherichira 3), deux dans la zone de Haffouz (Haffouz Cassis et Argoub Hajel), quatre dans la zone d’Aïn Baïdha (Merguellil, Sidi Ali Cheib, Idmen El Hassi et Chouicha) et six dans la zone de Bouhafna (KT2, KT4, KT5, PL1, PL2 et PC2). Trois de ces piézomètres ont été combinés avec leurs voisins en vue d’avoir un historique piézométrique plus long. Il s’agit de KT2 et KT2bis, PC2 et PC2bis, ainsi que PL2 et PL2bis. Comme nous pouvons le constater sur la Figure 4.19, dans les zones de Bouhafna (PL1) et Cherichira (Cherichira 3) il y a eu une baisse continue du niveau piézométrique depuis les années 1970. Cette baisse d’une trentaine de mètres en trente ans est due à une exploitation intensive de la nappe profonde dans la zone de Bouhafna (Figure 4.19a). Malgré une certaine baisse des prélèvements dans la zone de Cherichira, le niveau piézométrique continue à baisser inexorablement (Figure 4.19c). Cette constatation peut s’expliquer par le fait que la nappe profonde n’est pas suffisamment alimentée dans cette région et que les pompages, si minimes soient-ils, affectent les réserves de la nappe. En revanche la zone d’Aïn Baïdha est moins touchée par le phénomène puisque le niveau piézométrique de la nappe profonde dans cette zone est resté presque constant (Figure 4.19d). 4-3- Minéralisation des eaux souterraines du bassin du Merguellil
Pour caractériser la nature chimique des eaux des nappes du bassin du Merguellil nous avons rassemblé une basé de données d’environ 130 analyses : 65 analyses pour la région de Bouhafna (1966-2002), 20 pour la région de Cherichira (1961-2002), 8 pour la région d’El Ala (1966) et 36 analyses pour la région de Haffouz (1966-2002). Par contre, nous ne disposons pas de données d’analyse chimique des eaux dans la région d’Aïn Baïdha. Les données de ces analyses ont montré un résidu sec moyen de 0.6 g/l dans l’aquifère mioplioquaternaire de Haffouz, de 0.7 g/l dans les grès oligocènes de Bouhafna et Cherichira, et de 1.2 g/l dans l’aquifère mioplioquaternaire d’El Ala. Par ailleurs, Baba Sy (1999) a estimé à 1.5 g/l le résidu sec moyen des eaux dans la région d’Aïn Baïdha. Dans la nappe d’Aïn Baïdha, les concentrations des eaux augmentent de l’amont vers l’aval (Hamza, 1976). En effet la minéralisation des eaux est plus importante dans les alluvions des oueds à l’aval qu’au niveau des piedmonts des principaux reliefs de cette région qui constituent les zones d’alimentation de la nappe.
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 91 Chapitre IV : Analyse des données hydrogéologiques
Figure 4.20 Diagramme de Piper établi pour les eaux souterraines du bassin du Merguellil, dans les zones de Bouhafna, Cherichira, El Ala et Haffouz. L’identification du faciès hydro-chimique des différentes nappes a été faite à l’aide du diagramme de Piper (Figure 4.20). Les eaux de la nappe oligocène de Bouhafna ont un faciès plutôt sulfaté calcique, alors que celles de la nappe oligocène de Cherichira ont un faciès bicarbonato-chloruré sodique. Les eaux du Mioplioquaternaire de Haffouz sont en relation avec les nappes de Haffouz et Cherichira, on retrouve donc un nuage très dispersé avec des points d’eaux dont les faciès sont proches de l’une et de l’autre nappe. Cependant, le gros des points d’eau de la nappe de Haffouz ont un faciès bicarbonaté calcique résultant de la communication avec la nappe des calcaires éocènes du djebel Ouslatia. Pour la nappe mioplioquaternaire d’El Ala, nous ne disposons que de quelques points dont le nuage est très dispersé. Les eaux de cette nappe ont un faciès bicarbonaté-sulfaté calcique. Hervieu (2000) a montré que, malgré un éparpillement du nuage des points, les eaux de la nappe d’Aïn Baïdha ont un faciès chloruré-sulfaté pour les anions et calcique-magnésien pour les cations. 4-4- Conclusion Le bassin de l’Oued Merguellil est situé dans une région semi-aride dans laquelle les ressources souterraines jouent un rôle capital. L’étude de ses ressources a commencé par une description détaillée des principaux affleurements prévalant dans ce bassin. Une attention particulière a été portée à ses formations aquifères. Ainsi leur communication a été établie en se basant sur les différentes corrélations litho-stratigraphiques. Ensuite le système a été délimité en nappes phréatique et profonde dont les extensions spatiales ont été définies à
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 92 Chapitre IV : Analyse des données hydrogéologiques partir des affleurements des principaux aquifères, l’orographie de la zone d’étude et les ouvrages de captage (puits et forages) implantés dans ces nappes. Une esquisse du fonctionnement de ces nappes a été effectuée, en définissant les zones d’alimentation et d’exutoire de celles-ci à partir des cartes piézométriques. Par ailleurs, les paramètres définissant l’hydrodynamique des nappes ont été décrits. C’est ainsi que tous les points pour lesquels nous disposions des mesures de transmissivité et du coefficient d’emmagasinement ont été pris en compte. Une forte disparité des transmissivités a été constatée entre les différentes régions du système. Il a été aussi remarqué que la nappe phréatique possède une transmissivité en moyenne dix fois moins importante par rapport à la nappe profonde dont les transmissivités varient entre 3.10-2 et 2.10-4 m2/s. La porosité efficace de la nappe phréatique est comprise entre 0.1 et 0.3 alors que les coefficients d’emmagasinement de la nappe profonde sont compris entre 10-3 et 10-5. Les prélèvements dans les nappes n’ont cessé d’augmenter depuis le début des années 1970. Ainsi on a assisté à un doublement des pompages dans la nappe profonde entre 1970 et 2000 alors que la nappe phréatique a vu ses prélèvements multipliés par six sur la même période. Pour ce qui est de la nappe phréatique, la zone de Haffouz est la plus exploitée avec un taux d’une centaine de litres par seconde. La zone de Bouhafna est de loin la plus exploitée pour la nappe profonde avec un débit moyen de 400 l/s (sur toute la période) quatre fois supérieur à celui d’autres zones (100 l/s). Les fluctuations temporelles du niveau piézométrique de la nappe phréatique dépendent de la pluviométrie et des grands barrages implantés sur ce bassin, alors que celles de la nappe profonde dépendent des pompages. C’est ainsi que le niveau piézométrique dans la zone de Bouhafna a baissé d’une trentaine de mètres sur 30 ans. Une baisse de même envergure a été constatée dans la zone de Cherichira dont l’origine serait la faiblesse des ressources étant donné qu’il n’y a pas eu d’augmentation temporelle des prélèvements dans cette zone. Ces différentes données, disponibles dans un système d’information géographique, seront utilisées plus tard dans la modélisation des écoulements du bassin du Merguellil.
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 93 5. Evolution des séries pluviométriques de la zone d’étude
Les apports de l’oued Merguellil ont connu une baisse assez significative dans les années 1990 (Tableau 5.1). Sans tenir compte de l’année exceptionnelle 1969/1970, les apports moyens interannuels aux stations de Haffouz et Sidi Boujdaria ont été estimés respectivement à 16.7 millions de m3 (sur la période 1966-1982) et à 32 millions de m3 (sur la période 1974- 1982) (Bouzaiane et Laforgue, 1986). Dans une étude effectuée sur la période après la mise en place du barrage d’El Haouareb (Kingumbi, 1999 ; Kingumbi et al., 2004), le volume d’apports moyens interannuels à ce barrage a été évalué à 23 millions de m3 (sur la période 1989-1998).
Tableau 5.1 Comparaison des apports de l’oued Merguellil aux stations hydrométriques Station hydrométrique Superficie (km²) Période Apports (106 m3) Sidi Boujdaria 890 1974-1982 32.0 El Haouareb 1200 1989-1998 23.0 La comparaison entre les apports aux différentes stations hydrométriques (Figure 5.1), Haffouz (675 km²), Sidi Boujdaria (890 km²) et El Haouareb (1200 km²), montre que le module moyen de cet oued a considérablement baissé durant la décennie 1990.
Figure 5.1 Répartition spatiale des stations pluviométriques utilisées
Deux facteurs peuvent avoir contribué à la baisse de la réponse de ce bassin ; d’une part la Chapitre V : Evolution des séries pluviométriques de la zone d¶étude diminution des précipitations qui peut être une conséquence de la variabilité ou des changements climatiques, et d’autre part le facteur anthropique qui se manifeste par l’implantation d’aménagements hydrauliques divers et un accroissement des surfaces cultivées.
Ce chapitre s’intéressera au premier facteur (la chute des précipitations) pouvant éventuellement être à l’origine de cette baisse des apports du bassin du Merguellil. Nous commencerons par une description des données et méthodes utilisées, ensuite nous étudierons la variabilité pluviométrique à l’échelle locale et terminerons par la variabilité pluviométrique à l’échelle spatiale.
5-1- Données utilisées
En plus des stations décrites dans le chapitre 2, nous avons rajouté deux stations pluviométriques un peu plus éloignées du bassin versant du Merguellil mais dont l’importance régionale est reconnue, il s’agit des stations de Kairouan et de Sidi Hamada (Figure 5.1). Ce qui ramène à 25 le nombre de stations utilisées dans cette étude.
Deux approches méthodologiques ont été développées : une approche basée sur l’étude des séries individuelles (locale) et celle basée sur des séries spatiales.
5-1-1- Approche locale
5-1-1-1- Définition des variables utilisées
Dans cette approche, nous avons sélectionné huit stations pluviométriques (Kairouan, Sidi Saad, Haffouz, El Ala, Skhira, Kesra, Ouslatia et Sidi Hamada) pour la longueur et la qualité de leurs données (Tableau 5.2). Leurs mesures couvrent une durée d’au moins trente années à l’exception de la station de Skhira dont les observations ont une période de vingt cinq années. En vue de comparer l’évolution pluviométrique de la Tunisie centrale à celle d’autres régions du pays, deux autres stations ont été choisies, l’une au nord (Tunis) et l’autre au sud (Gafsa) de la Tunisie (Figure 5.1 et Tableau 5.2).
Tableau 5.2 Caractéristiques des stations pluviométriques utilisées dans l’approche locale Variable \ Station Kairouan Sidi Saad Haffouz El Ala Skhira Ouslatia Kesra Sidi Hamada Tunis Gafsa
Latitude 35°40’33” 35°23’36” 35°37’30” 35°36’56” 35°44’23” 35°50’27” 35°49’34” 35°57’37” 36°47’04” 34°25’30” Longitude 10°06’15” 9°41’47” 9°40’30” 9°33’29” 9°23’03” 9°36’43” 9°21’26” 9°12’59” 10°10’15” 8°47’49” Début 1960 1956 1968 1969 1974 1962 1966 1960 1901 1961 Fin 1998 1996 1999 1998 1999 1999 1996 1991 1998 1998 Moyenne (mm) 314 256 338 350 329 400 423 525 451 177 Médiane (mm) 295 228 317 312 303 387 398 470 451 174 Ecart type (mm) 118 132 147 184 102 139 138 298 124 70 Coeff. de variation 0.38 0.51 0.43 0.52 0.3 0.35 0.33 0.57 0.27 0.40
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 95 Chapitre V : Evolution des séries pluviométriques de la zone d¶étude L’étude a commencé par l’utilisation de la variable centrée réduite sur des séries individuelles pour cerner l’évolution de la pluviométrie annuelle par rapport à la moyenne sur la période concernée par les mesures à chaque station. Ensuite une quinzaine de variables ont été calculées (Tableau 5.3), à partir de la pluie journalière, sur lesquelles les tests statistiques de détection de rupture de la stationnarité ont été effectués. Ces variables sont la pluie annuelle, les pluies saisonnières et leurs contributions dans le total annuel, le nombre de jours de pluie supérieure à certains seuils choisis (0, 5, 10 et 30 mm), ainsi que le cumul des pluies journalières supérieures à 30 mm et sa contribution dans le total annuel.
Tableau 5.3 Variables utilisées dans l’approche locale Numéro Variable Désignation 1 Pluie annuelle (mm) PA 2 Cumul des pluies journalières de la saison d’automne (mm) PAT 3 Contribution de l’automne à la pluie annuelle (%) CAPA 4 Cumul des pluies journalières de la saison hivernale (mm) PHV 5 Contribution de l’hiver à la pluie annuelle (%) CHPA 6 Cumul des pluies journalières de la saison printanière (mm) PP 7 Contribution du printemps à la pluie annuelle (%) CPPA 8 Cumul des pluies journalières de la saison estivale (mm) PE 9 Contribution de l’été à la pluie annuelle (%) CEPA 10 Nombre de jours de pluie (pluie journalière supérieure à 0 mm) NJP1 11 Nombre de jours de pluie (pluie journalière supérieure à 5 mm) NJP2 12 Nombre de jours de pluie (pluie journalière supérieure à 10 mm) NJP3 13 Nombre de jours de pluie (pluie journalière supérieure à 30 mm) NJP4 14 Cumul des pluies journalières supérieures à 30 mm (mm) CPJ 15 Contribution du CPJ dans le total annuel (%) CCPJ 5-1-1-2- Persistance temporelle des classes de pluie
Les trois méthodes, présentées plus haut, sont surtout adaptées à la recherche de changements éventuels de la moyenne des séries chronologiques. Elles n’évaluent pas les persistances spatiale et temporelle des phénomènes qui ont une influence non négligeable sur le cycle de l’eau (Bardossy, 1994). En partant des périodes de changement détectées, une étude de la persistance temporelle d’un certain nombre de classes de pluies (0-5 mm, 5-10 mm, 10-30 mm et pluie supérieure à 30 mm) a été effectuée. Les distributions statistiques de ces classes de pluies ont été ainsi comparées sur plusieurs périodes.
5-1-2- Approche spatiale
Dans cette approche, l'information provenant de vingt cinq stations pluviométriques a été utilisée pour étudier la persistance spatiale des fortes pluies (supérieures à 30 mm/jour). Les événements de fortes pluies ont été sélectionnés sur le critère suivant : sur chaque poste, les jours dans lesquels la pluie est supérieure à 30 mm ont été choisis. Pour chacun de ces jours, les pluies journalières enregistrées dans les autres stations ont été considérées. Nous avons ensuite utilisé le Krigeage comme un outil d'interpolation pour aboutir à une carte
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 96 Chapitre V : Evolution des séries pluviométriques de la zone d¶étude pluviométrique de chaque jour sélectionné sur laquelle nous avons considéré cinq classes de pluie spatiale : 0-5 mm, 5-10 mm, 10-20 mm, 20-30 mm et supérieure à 30 mm (Figure 5.2). La superficie associée à chaque classe a été alors estimée dans l'espace couvert par le bassin du Merguellil.
Figure 5.2 Surfaces du bassin du Merguellil couvertes par les différentes classes de pluie dans l'épisode du 29 Mars 1977
Figure 5.3 Comparaison des surfaces des classes de pluie calculées avec 9 et 25 stations pluviométriques durant l’année hydrologique 1989/90 sur le bassin du Merguellil
Dans cette méthode, l’effet de l'interpolation spatiale sur les bords du système a été négligé à cause de l'utilisation seulement de la région limitée par le bassin du Merguellil. Par ailleurs,
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 97 Chapitre V : Evolution des séries pluviométriques de la zone d¶étude au début de la période d'étude (1966) le réseau était composé par seulement 9 stations pluviométriques mais avec une distribution spatiale qui couvrent assez bien le bassin étudié (Figure 5.2). En fait, nous avons fait une hypothèse selon laquelle les différentes configurations du réseau n'avaient pas beaucoup d’influence sur les cartes résultants de l’interpolation.
Pour vérifier cette supposition nous avons fait la comparaison des surfaces des classes des pluies calculées avec les deux réseaux de 9 et 25 stations durant l’année hydrologique 1989/90 qui présente le plus grand nombre d'événements à fortes pluies (26). Cette comparaison, illustrée à la Figure 5.3, montre que le réseau minimum apporte une information fiable, étant donnée que nous aboutissons à un coefficient de corrélation linéaire de 0.8 entre les surfaces des classes calculées par les deux réseaux de 9 et 25 stations pluviométriques. Mais il y a parfois d’importantes différences entre les surfaces calculées à l’aide des deux réseaux.
D’autre part, en considérant seulement le réseau minimal (9 stations), 6 événements n'auraient pas été détectés dans l’année considérée du fait que pour ces événements, toutes les 9 stations primitives ont enregistré des pluies inférieures à 30 mm. Nous constatons donc que la précision de l’évaluation des surfaces des classes des pluies est meilleure quand le réseau comporte un nombre important de postes. Par conséquent l’imprécision dans l’estimation de la surface couverte par une isohyète donnée peut provenir d’une faible densité du réseau pluviométrique. Cette imprécision, qu’il est difficile de cerner, peut influencer le calcul des surfaces couvertes par les gros évènements de deux manières : les surfaces peuvent être sous- estimées ou surestimées.
Une fois la superficie associée à chaque classe déterminée pour chacun des 432 évènements sélectionnés sur 32 ans (1966-1998), nous avons étudié la somme des surfaces associées à la classe des pluies supérieures à 30 mm à une échelle annuelle par les trois méthodes statistiques de détection de changement.
5-2- Méthodes statistiques utilisées
Les séries issues des deux approches (locales et spatiales) ont été analysées à l’aide de trois méthodes de détection de ruptures de la moyenne dans les séries temporelles : le Pettitt (1979), la procédure de segmentation des séries hydropluviométriques de Hubert et Carbonnel (1987) et la procédure bayésienne de Lee et Heghinian (1977). Ces méthodes ont été au départ programmées dans un environnement Pascal. Les résultats de ce programme ont été confirmés en utilisant le programme KhronoStat développé à la Maison des Sciences de l’Eau (MSE) de Montpellier (Lubès et al., 1994).
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 98 Chapitre V : Evolution des séries pluviométriques de la zone d¶étude
5-2-1- Test de Pettitt
Le test de Pettitt a été décrit par plusieurs auteurs (Pettitt, 1979 ; Lubes et al., 1994 ; Lubes-
Niel et al., 1998). Soit une séquence de variables aléatoires indépendantes x1, x2, …, xN. Elle contient une rupture à l’instant t si les séries x1, x2, …, xt et xt+1, xt+2, …, xN ont des distributions différentes. L’hypothèse nulle (H0 de non rupture) est testée au moyen d’un test non paramétrique. Ce test suppose que pour tout instant t variant de 1 à N, les deux séries définies ci-dessus appartiennent à la même population. On considère la variable Ut,N (éq. 5.1) telle que :
t N U t,N = ååDij i=1 j=t+1 (5.1)
Avec Dij = Sgn(xi - xj) où Sgn(x) = 1 si x > 0, Sgn(x) = 0 si x = 0 et Sgn(x) = -1 si x < 0.
Pour tester l’hypothèse nulle H0, Pettitt a proposé d’utiliser la variable KN, définie par le maximum en valeur absolue de la variable U t,N (éq. 5.1) pour t variant de 1 à N-1. Si k désigne la valeur de KN prise sur la série étudiée, sous H0, la probabilité de dépassement approximative de la valeur de k : Prob(KN > k) est donnée par l’équation 5.2.
-6k2 Prob(K N > k) » 2exp( ) (5.2) N 3 + N 2
Pour un risque a de première espèce, H0 est rejetée si cette probabilité (éq. 5.2) est inférieure
à a . Dans ce cas la série présente une rupture au temps t définissant KN.
L’utilisation de ce test a été motivée par plusieurs raisons notamment son application dans plusieurs études de changements de la stationnarité, sa puissance surtout en ce qui concerne le test de rupture de moyenne (Lubes-Niel et al., 1998) et sa robustesse (Lubes et al., 1994).
5-2-2- Procédure de segmentation des séries hydrométéorologiques
La procédure de segmentation des séries hydrométéorologiques a été présentée par Hubert et Carbonnel (1987). Elle a ensuite été complétée par un test par Hubert et al. (1989). Elle a pour principe le découpage d’une série en m segments de telle sorte que la moyenne calculée sur tout segment soit nettement différente de la moyenne du (des) segment (s) voisin (s). Cette méthode présente l’avantage de permettre de rechercher de multiples changements de moyenne dans une série hydrométéorologique.
Soit une série chronologique de N valeurs : x1, x2, …, xN. Toute série xi, i = i1, i2 avec i1 ³ 1,
i2 £ N et i1 p i2 , constitue une segmentation de la série initiale. Toute partition de la série initiale en m segments constitue une segmentation d’ordre m de cette série.
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 99 Chapitre V : Evolution des séries pluviométriques de la zone d¶étude
Soit une segmentation particulière d’ordre m pratiquée sur une série proposée et soit ik (k = 1, 2, …, m) le rang dans la série initiale de l’extrémité terminale du kième segment. On a, en ième posant i0 = 0, i0 < i1 < … < ik < … < im-1 < im = N. On note nk = ik - ik-1 la longueur du k segment et xk sa moyenne. L’écart quadratique Dm (éq. 5.3) entre la série et la segmentation est définie comme suit :
k =m k =m ik 2 Dm = D(i1 , i2, ×××, im ) = å d k = åå(xi - xk ) (5.3) k =1 k =11i ik -1 +=
La segmentation retenue est telle que l’écart quadratique entre la série et cette dernière soit minimum. Cette condition est nécessaire mais pas suffisante pour la détermination de la segmentation optimale. Il faut lui adjoindre, par l’application du test de Scheffé, la condition selon laquelle les moyennes des deux segments contigus soient significativement différentes.
Cette procédure est considérée comme un test de stationnarité. « La série étudiée est stationnaire » constitue l’hypothèse nulle (H0) de ce test. Elle a été utilisée dans plusieurs études de changements climatiques notamment pour des séries de Roumanie (Carbonnel et Hubert, 1994) et de Tunisie centrale (Kebaili-Bargaoui, 1990). En Afrique de l’Ouest où elle a été appliquée aux séries des précipitations et des débits (Hubert et al., 1989). La puissance de cette procédure a été confirmée surtout au niveau de signification de 0.01 du test de Scheffé (Lubès-Niel et al., 1998). Elle s’est révélée particulièrement robuste en confirmant les discontinuités détectées initialement après l’allongement de dix ans des séries étudiées en Afrique de l’Ouest (Hubert et al., 1998).
5-2-3- Méthode bayésienne de Lee et Heghinian
L’approche bayésienne de Lee et Heghinian (1977) est utilisée pour étudier un changement de moyenne sous la forme d’un saut dans une série temporelle. Elle est différente d’un test statistique classique, elle est paramétrique et exige une distribution normale des variables étudiées.
Soit une série chronologique x1, x2, …, xN supposée contenir une rupture de moyenne par saut à l’instant t . Elle peut être décrite de la façon suivante (éq. 5.4) :
ì m+ei i=1,×××,t xi = í (5.4) î m+d +ei i=t +1,×××,N
Avec t et d définis comme étant respectivement la position de la rupture dans le temps et l’amplitude du changement sur la moyenne (saut de moyenne). Les e i sont indépendants, normalement distribués, de moyenne nulle et de variance d 2 .
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 100 Chapitre V : Evolution des séries pluviométriques de la zone d¶étude L’approche bayésienne de Lee et Heghinian se base sur les distributions marginales a posteriori de t et d . Si p la densité de probabilité a priori de t est uniforme, a posteriori elle est définie par p(t x) (éq. 5.5).
1 é N ù 2 -( N -2) p(t x) ¥ []R()t 2 (5.5) ëêt (N -t ) ûú Avec 0 £ t £ N -1, t N N é 2 2 ù 2 R()t = êå(xi - xt ) + å(xi - xN -t ) ú å(xi - xN ) , ëêi=1 i=t +1 ûú i=1 N t N xN = 1 N å xi , xt = 1 t å xi et xN -t = 1 (N -t ) å xi . i=1 i=1 i=t +1
La distribution a posteriori de d ( p(d x) ) est définie par la distribution a posteriori de t ( p(t x) ) et de la distribution conditionnelle a posteriori de d par rapport à t ( p(d t, x)) (éq. 5.6).
N -1 p(d x) = åp(d t, x) p(t x) (5.6) t =1
Cette distribution est une distribution de Student de moyenne dt = xN -t - xt et de variance 2 sd t = NH (t ) [](N - 2)t (N -t ) avec v = N - 2 degrés de liberté.
L’approche bayésienne est utilisée pour la recherche de changement de la moyenne dans les séquences des variables aléatoires indépendantes. Elle suppose qu’un changement de moyenne existe dans une série chronologique, puis elle estime la date probable de ce changement ainsi que l’ampleur du changement intervenu. Comme les deux précédentes, cette méthode a également été utilisées dans plusieurs études, notamment dans Lubès-Niel et al. (1998), Ouarda et al. (1999), Aka Akpa (2000), etc.
5-3- Variabilité pluviométrique à l’échelle locale
5-3-1- Evolution des pluies annuelles des huit stations sélectionnées
Pour étudier l'évolution de la pluie annuelle en comparaison avec la moyenne interannuelle, les pluies annuelles ont été centrées et réduites (Figure 5.4 ; Figure 5.5). De cette étude, trois périodes se sont dégagées. La première est en rapport avec les années antérieures à 1976 et correspond à une succession d'années sèches et humides. La deuxième période, de 1976 à 1989, est caractérisée par les années sèches. La période après 1989 est caractérisée par un certain rehaussement pluviométrique.
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 101 Chapitre V : Evolution des séries pluviométriques de la zone d¶étude
Figure 5.4 Indices d’Anomalies calculés sur les séries des pluies annuelles des stations pluviométriques de Sidi Saad, Sidi Hamada, Kairouan et Ouslatia.
Figure 5.5 Indices d’Anomalies calculés sur les séries des pluies annuelles des stations pluviométriques de Haffouz, Kesra, Skhira et El Ala.
Dans les chronologies étudiées, deux années se distinguent par l'importance de leurs pluies annuelles : les années 1969-1970 et 1989-1990. Particulièrement l’année 1969-1970, avec un indice supérieur à 3, est considérée comme exceptionnelle dans l’histoire pluviométrique de la
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 102 Chapitre V : Evolution des séries pluviométriques de la zone d¶étude Tunisie centrale.
Il est à noter aussi que la période entre 1976 et 1989 est caractérisée par une faible variance, alors que les périodes antérieure et postérieure ont un écart type plus important (Tableau 5.4). Il a été montré que la sécheresse est un phénomène très périodique et que la persistance des années sèches est très importante en Tunisie centrale (Bergaoui et Alouini, 2001 ; Benzarti et Habaieb, 2001). Tableau 5.4 Ecart type des pluies annuelles (mm) des stations à différentes périodes Station El Ala Haffouz Kairouan Kesra Ouslatia Sidi Hamada Sidi Saad Skhira Période Avant 1976 280 206 131 183 167 390 147 -
1976-1989 70 54 64 61 56 88 37 36
Après 1989 172 159 127 158 146 - 136 122
5-3-2- Application des méthodes de détection des ruptures
Les méthodes statistiques utilisées sont constituées d’un test statistique classique, d’une méthode bayésienne et d’une technique de segmentation des séries temporelles. L’application de chacune de ces méthodes requiert un certain nombre de conditions.
Tableau 5.5 Etude du caractère aléatoire des variables calculées aux différentes stations Variable El Ala Haffouz Kairouan Kesra Ouslatia Hamada Saad Skhira PA Oui Oui Oui Oui Oui Oui Oui Oui PAT Oui Oui Oui Oui Oui Oui Oui Oui CAPA Oui Oui Oui Oui Oui Oui Oui Oui PHV Oui Oui Oui Oui Oui Oui Oui Oui CHPA Oui Oui Oui Oui Oui Oui Oui Oui PP Oui Oui Oui Oui Oui Oui Oui Oui CPPA Oui Oui Oui Oui Oui Oui Oui Oui PE Oui Oui Oui Oui Oui Oui Oui Oui CEPA Oui Oui Oui Oui Oui Oui Oui Oui NJP1 Oui Oui Oui Non Oui Oui Oui Oui NJP2 Oui Oui Oui Oui Oui Oui Oui Oui NJP3 Oui Oui Oui Oui Oui Oui Oui Oui NJP4 Oui Oui Oui Oui Oui Oui Oui Non CPJ Oui Oui Oui Oui Oui Oui Oui Oui CCPJ Oui Oui Oui Oui Oui Oui Oui Non Le test statistique de Pettitt s’applique à des séries non autocorrélées et exige qu’implicitement la variance de la série ne soit pas affectée par un changement si une rupture en moyenne est prioritairement recherchée. La méthode bayésienne de Lee et Heghinian exige que les séries temporelles étudiées soient normalement distribuées, que leur variance soit constante et qu’elles ne soient pas autocorrélées. En plus de la vérification du caractère aléatoire, la procédure de segmentation utilisée requiert aussi qu’implicitement les séries étudiées soient normalement distribuées.
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 103 Chapitre V : Evolution des séries pluviométriques de la zone d¶étude L’étude du caractère aléatoire des variables calculées à partir des pluies journalières a été faite à l’aide du Test de corrélation sur le rang (WMO, 1966) et de l’autocorrélogramme (WMO, 1966). L’hypothèse nulle (la série est aléatoire) a été rejetée par le test de corrélation sur le rang dans seulement 5 variables (sur un total de 120 variables) au niveau de signification de 5% (Tableau 5.5). A ce seuil, seulement 2 variables ont été jugées non aléatoires par l’autocorrélogramme.
La normalité des séries a été vérifiée et leurs transformations ont été éventuellement faites pour les rendre normales (Tableau 5.6). Ainsi sur un total de 120 variables, 39 ont été reconnues normales, 55 ont subi des transformations logarithmiques (24), de racine carrée (10) et par la méthode de Box et Cox (21) pour les rendre normales.
Tableau 5.6 Etude du caractère normal des variables calculées aux différentes stations. Les transformations logarithmique (Log), par racine carrée (RC) et par la méthode de Box et Cox (BC) adoptées pour chaque variable et qui ont permis de vérifier ce caractère Variable El Ala Haffouz Kairouan Kesra Ouslatia Hamada Saad Skhira PA Log Log RC RC Log BC Log RC PAT Non Non Log Log Non Non Non Oui CAPA BC BC Log Oui Log Log BC Log PHV Oui BC Oui RC Log Oui BC Oui CHPA Oui BC BC Log Log Log BC BC PP RC BC Oui Log BC Log Oui Oui CPPA Oui BC Oui Log Oui Oui Oui Oui PE Oui Oui Oui Oui Oui Oui Oui Oui CEPA BC BC Log Log Log Log BC BC NJP1 Oui Oui Oui RC Oui RC Log RC NJP2 Oui Oui RC Oui Oui Oui RC Oui NJP3 Oui Log Oui Oui Oui Non Log Non NJP4 Non Non Non Non Non Non Non Non CPJ Non Non Non Non Non Non Non Non CCPJ BC BC Non Oui BC BC Non Non Il reste donc 26 variables dont les séries ne vérifient pas la normalité et dont aucune transformation n’a permis de les rendre normales. Ces variables concernent particulièrement le cumul des pluies d’automne, le nombre de jour de pluies supérieures à 30 mm et leur cumul. La non vérification de la normalité dans les deux dernières variables est probablement due à un nombre important d’années caractérisées par une absence de pluies supérieures à 30 mm ce qui fait que ces variables prennent la valeur 0 pendant ces années. La robustesse de ces méthodes statistiques utilisées ayant été prouvées par divers auteurs (Lubès-Niel et al., 1998 ; Hubert et al., 1998), nous avons décidé d’appliquer ces méthodes à toutes les séries calculées bien que 22% de ces séries ne vérifient pas le caractère normal.
5-3-2-1 Résultats du test de Pettitt (1979)
En considérant un risque de première espèce égal à 5%, on constate que seules deux ruptures
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 104 Chapitre V : Evolution des séries pluviométriques de la zone d¶étude ont été calculées sur le nombre de jours de pluie. Elles ont été constatées à la station de Kairouan en 1976 et à Sidi Saad en 1973. Ceci conduit à conclure que le test de Pettitt n’a pas détecté de rupture de la stationnarité dans les séries chronologiques de la Tunisie centrale.
Nous avons voulu voir s’il y avait une certaine tendance vers le changement en considérant un risque de première espère plus important (50%). Ceci a donné, pour les différentes variables étudiées, des dates que nous avons représentées en fonction du nombre de ruptures détectées (Figure 5.6). Cette figure montre que le milieu des années 1970 constitue la période où une plus forte tendance vers la rupture a été détectée. L’année 1976 constitue le pic de cette période avec 13 ruptures calculées dans les variables étudiées.
Figure 5.6 Dates calculées par le test de Pettitt en fonction du nombre de ruptures obtenues avec un risque de première espèce égal à 50%
La fin des années 1980 et le début des années 1990 constituent aussi des périodes où une tendance à la rupture a été constatée. La dernière période concerne surtout la pluie saisonnière du printemps, variable sur laquelle cinq des six ruptures de 1992 ont été calculées.
La comparaison avec les autres régions du pays a montré que la station de Gafsa n’a pas enregistré de rupture. Tandis que la station de Tunis en a enregistré deux, hors de la période étudiée concernée par cette étude (en 1928 et 1951) sur le nombre de jours de pluie respectivement supérieure aux seuils de 0 et 5 mm.
5-3-2-2 Résultats de la procédure de segmentation de Hubert et Carbonnel (1987)
L’utilisation de la procédure de segmentation de Hubert a donné des résultats reportés dans le Tableau 5.7. Pour les pluies annuelles, les pluies saisonnières d’automne et les pluies saisonnières d’hiver aucune rupture n’a été calculée dans les séries pluviométriques de la
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 105 Chapitre V : Evolution des séries pluviométriques de la zone d¶étude Tunisie centrale. Alors que dans les pluies saisonnières du printemps et d’été nous avons respectivement détecté deux (à Ouslatia en 1993 et à Sidi Hamada en 1989) et trois (à Sidi Saad en 1964, à Ouslatia en 1976 et à Skhira en 1988) ruptures.
Le poids saisonnier d’hiver n’a pas donné de changement alors que celui d’automne en a enregistré à la station de Skhira en 1992. Dans le poids saisonnier du printemps nous avons détecté trois ruptures en 1992 (à Haffouz, Ouslatia et Skhira) et deux ruptures dans la première moitié des années 1970 (à Sidi Hamada en 1971 et à Kesra en 1975). Deux ruptures ont été calculées dans la variable du poids pluviométrique saisonnier de l’été (à Sidi Hamada en 1969 et à Kesra en 1988).
Tableau 5.7 Dates de rupture détectées par la procédure de segmentation de Hubert (en gras italique) et par la méthode bayésienne de Lee et Heghinian (soulignées) Station Sidi El Ala Haffouz Kairouan Kesra Ouslatia Sidi Saad Skhira Gafsa Tunis Variable Hamada PA ------1976 - - - 1960 - - - - 19481948 PAT ------1970 ------1992 - - 1950 - PHV - - - 1989 - - - 1989 - - - 1965 - 1989 - 1989 - - - - PP - 1993 - 1992 - - - 1971 19931992 19891989 - 1960 - 1992 - - 1952 - PE - - - - - 1964 - - 1976 - - 1964 19641964 1988 - - - - - CAPA ------1970 ------19921992 - - - - CHPA ------1949 - CPPA - - 1992 - - - 19751975 19921992 19711971 - - 19921992 - - - - CEPA - 1994 - - - - 1988 - - - 1969 ------NJP1 - - - - 19761976 1973 - 1976 - 1976 - 1976 - - - - - 19221927 NJP2 ------1972 - - 1976 1989 - - 1960 - - - - 19511951 NJP3 - - 19891989 - - - - - 1976 1989 - 19891989 - - - - 19521951 NJP4 ------1960 19881989 - - - - CPJ ------1970 - - - 1970 19741974 19891989 - - - - CCPJ 1975 - 19761976 - - 19771977 - - - 1971 19751975 19891989 - - - - Le nombre de jours de pluie supérieure au seuil de 0 mm a enregistré quatre ruptures en 1976 (à Kairouan, Ouslatia, Sidi Hamada et Sidi Saad) et une rupture en 1973 à Kesra. Le nombre de jours de pluie supérieure à 5 mm a enregistré deux ruptures : en 1972 à Kesra et en 1989 à Sidi Hamada. Le nombre de jours de pluie supérieure au seuil de 10 mm a enregistré trois ruptures en 1989 (à Haffouz, à Sidi Hamada et à Sidi Saad) alors que le nombre de jours de pluie supérieure à 30 mm n’en a enregistré qu’une à Skhira en 1988.
Le cumul de pluies supérieures à 30 mm n’a donné que deux ruptures (à Sidi Saad en 1974 et à Skhira en 1989) alors que sa contribution dans le total annuel en a enregistré cinq (à El Ala et à Sidi Saad en 1975, à Haffouz en 1976, à Kesra en 1977, et à Skhira en 1989).
La procédure de segmentation de Hubert n’a pas montré une date systématique de rupture de la stationnarité dans les séries pluviométriques de la Tunisie centrale. Cependant, les quelques ruptures constatées, dans les variables étudiées font ressortir deux dates de probables
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 106 Chapitre V : Evolution des séries pluviométriques de la zone d¶étude changements, la moitié des années 1970 et la fin des années 1980. La comparaison avec les autres régions du pays a montré que le sud représenté par la station de Gafsa n’a pas enregistré de rupture. Tandis que le nord du pays (station de Tunis) a enregistré une rupture vers 1950 sur six des quinze variables étudiées et une rupture en 1922 sur le nombre de jours de pluie supérieure au seuil de 0 mm.
5-3-2-3 Résultats de la méthode bayésienne de Lee et Heghinian (1977)
Les résultats de l’application de la procédure bayésienne de Lee et Heghinian sur les séries pluviométriques de la Tunisie centrale sont compris dans le Tableau 5.7. Ils montrent que pour la pluie annuelle seules deux stations présentent une rupture : Sidi Saad en 1960 et Ouslatia en 1976.
Figure 5.7 Dates calculées par la méthode bayésienne de Lee et Heghinian en fonction du nombre de ruptures
La pluie saisonnière d’automne et sa contribution dans le total annuel présentent deux ruptures à la station de Kesra en 1970 et à Skhira en 1992. La pluie saisonnière d’hiver présente une tendance à la rupture en 1989 sur quatre stations de la Tunisie centrale (à Haffouz, à Kesra, à Sidi Saad et à Skhira) et en 1965 à Sidi Hamada. Sa contribution dans le total annuel n’en présente aucune.
La pluie saisonnière du printemps présente une rupture en 1992 sur les stations de Haffouz, Ouslatia et Skhira. Elle présente également une rupture en 1960 à Sidi Saad, en 1971 à la station de Kesra, en 1989 à Sidi Hamada, et en 1993 à El Ala. La contribution de cette pluie dans le total annuel présente trois dates de rupture : 1971 à Sidi Hamada, 1975 à Kesra, et 1992 à Ouslatia et à Skhira.
La pluie saisonnière d’été présente une rupture en 1964 à la station de Kairouan, à Sidi Hamada et à Sidi Saad. La contribution de cette pluie ne présente qu’une rupture en 1994 à la station d’El Ala.
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 107 Chapitre V : Evolution des séries pluviométriques de la zone d¶étude Huit ruptures ont été calculées dans les variables relatives au nombre de jours de pluie supérieure à un certain seuil. Une rupture pour le seuil de 0 mm (à Kairouan en 1976), deux ruptures respectivement pour les seuils de 5 mm (à Ouslatia en 1976 et à Sidi Saad en 1960) et 30 mm (à Sidi Saad en 1960 et à Skhira en 1989) et trois ruptures pour le seuil de 10 mm (en 1976 à Ouslatia et en 1989 à Haffouz et à Sidi Saad).
Le cumul des pluies supérieures à 30 mm présente des ruptures en 1970 (à Kesra et à Sidi Hamada), en 1974 (à Sidi Saad) et en 1989 (à Skhira). Tandis que sa contribution dans le total annuel en présente vers la milieu des années 1970 (à Haffouz, à Kesra, à Sidi Hamada et à Sidi Saad) et en 1989 à Skhira.
La procédure bayésienne n’a pas détecté de date de rupture bien distincte dans les séries pluviométriques de la Tunisie centrale. Quelques dates de rupture ont été cependant détectées dans certaines variables. Leur recensement a montré que si l’hypothèse de changement est adoptée, il aurait eu lieu au milieu des années 1970 et à la fin des années 1980 (Figure 5.7).
Conformément aux résultats d’autres méthodes utilisées, aucune rupture n’a été constatée à la station de Gafsa, située dans le sud du pays. Dans les variables de la station de Tunis, il a été constaté trois ruptures dans le nombre de jours de pluie supérieure aux seuils de 0 mm en 1927, de 5 mm en 1951, et de 10 mm en 1951). Une rupture a été également calculée dans la pluie annuelle en 1948.
La pluie moyenne sur le bassin du Merguellil, qui tient compte à chaque pas de temps journalier de toutes les stations présentant des données, a été calculée à l’aide de la méthode des polygones de Thiessen. Une série de pluies moyennes spatiales à l’échelle annuelle a été ainsi constituée. Les indices d’anomalies calculés à partir de cette série montrent les mêmes constatations que sur les séries annuelles individuelles des différentes stations (Figure 3.12) : une période déficitaire (1976-1989) encadrée par deux périodes excédentaires (1966-1976 et 1989-1998). Cependant, les méthodes de détection de changements dans les séries chronologiques n’ont détecté aucune rupture de stationnarité dans cette série.
5-3-3- Comparaison des distributions de probabilité des gros évènements pluvieux
Les méthodes de détection de rupture de la stationnarité ont montré à plusieurs reprises les années 1976 et 1989 (Tableau 5.7) comme des dates de changement. Crisciani et al. (1994) ont montré que la période 1976-1988 a été dominée par de basses pressions et de hauts niveaux de mer à Trieste, tandis que les périodes antérieure et postérieure ont été caractérisées par des phénomènes inverses. L’année 1976 a aussi été détectée par Kebaili-Bargaoui (1990) comme une date de commencement d'une période sèche dans les séries pluviométriques de la Tunisie centrale. Il a été noté également que cette date (1976) a constitué le commencement des températures anormalement chaudes de la surface de la mer, El Niño, détectées dans la partie tropicale de l’océan Pacifique (Picaut, 2000 ; Vandiepenbeeck, 1998).
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 108 Chapitre V : Evolution des séries pluviométriques de la zone d¶étude
Figure 5.8 Comparaison de l’indice ENSO (a) et des variables centrées réduites (b) calculées sur les pluies annuelles des stations de la Tunisie centrale
Figure 5.9 Distribution des classes des pluies journalières aux stations pluviométriques de Sidi Saad, Sidi Hamada, Kairouan et Ouslatia
Les valeurs de l’indice ENSO (Multivariate El Niño South Oscillation index) ont été collectées (http://www.cdc.noaa.gov/ENSO/enso.mei_index.html) et présentées sur la Figure 5.8a. Cette figure montre une occurrence plus importante des valeurs positives de cet indice, correspondant à des situations d’El Niño, durant la période 1976-1989. Il en est, cependant, de même sur la période 1989-1998 (Figure 5.8a), ce qui fait qu’il est difficile d’affirmer
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 109 Chapitre V : Evolution des séries pluviométriques de la zone d¶étude l’existence d’une certaine corrélation entre cet indice et la pluviométrie en Tunisie centrale. Une étude plus approfondie et à l’échelle régionale (méditerranéenne) s’avère nécessaire pour essayer d’aplanir ces interrogations.
Nous avons cependant considéré trois périodes (avant 1976, 1976-1989, et après 1989) sur lesquelles l’étude des distributions des gros évènements pluvieux a été effectuée. Pour chaque poste pluviométrique et pour chaque période, cinq classes pluviométriques ont été considérées : C1 (0-5 mm), C2 (5-10 mm), C3 (10-20 mm), C4 (20-30 mm), et C5 (supérieure à 30 mm). À l'exception de la station d’Ouslatia, une baisse importante de la probabilité des pluies supérieures à 30 mm pendant la période 1976-1989 comparativement aux autres périodes a été constatée sur toutes les stations étudiées (Figure 5.9 ; Figure 5.10). A titre d’exemple la probabilité de C5, à la station de Sidi Saad (Figure 5.9), est passée de 33% sur la période 1957-1976 à 8% entre 1976 et 1989. Par contre, les probabilités des autres classes de pluies restent plutôt stables.
Figure 5.10 Distribution des classes des pluies journalières aux stations pluviométriques de Haffouz, Kesra, Skhira et El Ala
Nous avons utilisé le test F (Siegel, 1988) pour vérifier si les distributions des pluies supérieures à 30 mm étaient statistiquement homogènes pendant les trois périodes. Pour cela, les proportions des pluies supérieures à 30 mm ont été utilisées à chaque station. L'hypothèse nulle est que les pluies supérieures à 30 mm ont la même distribution de probabilité pendant les trois périodes. Le test a conclu que les différences entre les périodes sont considérables. Elles sont très importantes pour s'être produites par hasard, par conséquent l'hypothèse nulle a été rejetée. Par ailleurs, le test T (Siegel, 1988) appliqué sur chaque paire de périodes,
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 110 Chapitre V : Evolution des séries pluviométriques de la zone d¶étude chacune contenant la période 1976-1989, montre que les distributions de pluies supérieures à 30 mm ne sont pas homogènes sur les périodes. La baisse des pluies annuelles, mise en évidence pendant la période 1976-1989, est donc accompagnée par une baisse de la contribution dans le total annuel des pluies supérieures à 30 mm.
5-4- Variabilité pluviométrique à l’échelle spatiale
5-4-1- Confection des données spatiales
Dans cette partie, partant des résultats de l'approche locale, nous avons voulu étudier l’effet de la baisse de l’occurrence des grands évènements pluvieux entre 1976 et 1989 à l’échelle spatiale. L'information qui vient du réseau entier de 25 stations a été utilisée. Un évènement pluvieux a été sélectionné chaque fois qu’une pluie supérieure ou égale à 30 mm a été enregistrée dans le réseau, ainsi les isohyètes ont été calculés pour tous les évènements sélectionnés. Les surfaces du bassin du Merguellil couvertes par chacune des classes des pluies (Tableau 5.8) ont alors été calculées pour chaque événement. Les pluies journalières supérieures à 30 mm correspondent aux fortes pluies à l'échelle de la région d’étude.
Tableau 5.8 Classes de pluies sélectionnées pour l’approche spatiale Classe Classe 1 Classe 2 Classe 3 Classe 4 Classe 5 Intervalle de pluie (mm) 0 - 5 5 - 10 10 - 20 20 - 30 > 30 La Figure 5.2 présente un exemple de la distribution pluviométrique de l’événement du 29 Mars 1977 pendant lequel le maximum enregistré est égal à 53 mm alors que le minimum mesuré est de 4 mm. Pour cet événement, la surface de la classe C5 représente 37% (490 km²) du bassin du Merguellil.
5-4-2- Recherche de changement dans la série annuelle des surfaces couvertes par les fortes pluies
À la fin de la confection des données la superficie annuelle cumulée couverte par la classe C5, dont la moyenne interannuelle sur 32 ans équivaut à 1500 Km2, a été calculée (Figure 5.11b). Cette variable a enregistré un pic de 14000 km2 pendant l’année hydrologique exceptionnelle 1969/70. D’autre part, la variable centrée réduite de la série de surface annuelle a montré qu’une séquence consécutive d’années déficitaires s'est produite entre les années hydrologiques 1975/76 et 1988/89 (Figure 5.11a).
La surface moyenne cumulée annuelle pour la classe C5 était de 2400 km2 entre 1966/67 et 1975/76, de 500 km2 entre 1976/77 et 1988/89, et de 1700 km2 entre 1989/90 et 1997/98. La comparaison de ces valeurs moyennes a montré que l’extension spatiale des surfaces couvertes par les pluies supérieures à 30 mm a considérablement baissé durant la période 1976-1989 dans le bassin du Merguellil. Cependant, la procédure de segmentation de Hubert et le test de Pettitt, appliqués à la série des surfaces annuelles occupées par ces fortes pluies
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 111 Chapitre V : Evolution des séries pluviométriques de la zone d¶étude n'ont pas détecté de rupture dans la moyenne. Par contre la méthode bayésienne de Lee et Heghinian a montré que l’année 1975 serait retenue si l’hypothèse de changement était considérée.
Figure 5.11 Cumul annuel et indices d'anomalies des surfaces couvertes par les grands évènements pluvieux dans le bassin du Merguellil
5-4-3- Occurrence annuelle des fortes pluies
Pour mettre plus en évidence ce changement dans l'extension spatiale des fortes pluies, nous avons étudié le nombre de jours par an durant lesquels l’isohyète 30 mm se manifeste dans le domaine d’étude. Nous avons ainsi construit une série dans laquelle le test de Pettitt a détecté une rupture en 1989 au seuil de 90%. La procédure de segmentation de Hubert a découpé cette série en deux sous séries (1967-1989 et 1989-1998) à un niveau de la signification de 1% du test de Scheffé.
La méthode bayésienne de Lee et Hegninian a montré un changement de la moyenne dans cette série, entre les périodes antérieure et postérieure à 1989 (Figure 5.12b), avec une amplitude de 5 jours (Figure 5.13). Ainsi le nombre moyen de jours par an où l’isohyète 30 mm est présente dans le bassin du Merguellil a connu une augmentation. Il est passé de 11 (sur la période 1966-1989) à 16 jours (entre 1989 et 19998). Ce résultat corrobore celui obtenu précédemment concernant l'augmentation de la contribution des fortes pluies dans le total annuel dans la période après 1989. Ce résultat est cependant relativisé par l’influence du réseau, parce que durant les dernières années le réseau était composé d’un nombre de stations pluviométriques plus important que pendant les premières années.
Ces résultats ont été obtenus avec un réseau pluviométrique de moindre densité durant la première période d’observations. Pour mesurer l’influence de la densité du réseau
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 112 Chapitre V : Evolution des séries pluviométriques de la zone d¶étude pluviométrique, le réseau minimal composé de 9 stations a été utilisé pour calculer le nombre annuel de jours durant lesquels l’isohyète 30 mm apparaît dans la zone d’étude. Sur toute la période (1966-1998) une moyenne de 9 jours a été calculée, contre 13 jours calculés en utilisant tout le réseau disponible d’observations.
Figure 5.12 Nombre annuel de stations utilisées pour sélectionner le nombre de jours durant lesquels l’isohyète 30 mm est détectée dans la zone d’étude (a) et la densité de probabilité à posteriori de la position du changement calculée à partir de cette variable (b)
Figure 5.13 Densité de probabilité a posteriori de l’amplitude du changement calculée à partir du nombre de jours durant lesquels l’isohyète 30 mm est détectée dans la zone d’étude
Les trois méthodes utilisées plus haut pour rechercher la non stationnarité dans les séries
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 113 Chapitre V : Evolution des séries pluviométriques de la zone d¶étude chronologiques n’ont détecté aucune rupture dans la série ainsi calculée. Ceci montre que les résultats obtenus dépendent bien évidemment du réseau des observations pluviométriques. Cependant, il est nécessaire de remarquer que les réseaux avant et après la date de rupture détectée (1989) sont presque similaires, avec un nombre moyen annuel respectivement de 19 et 22 stations pluviométriques (Figure 5.12a).
D’autre part, si le changement dans la moyenne du nombre annuel de jours des gros évènements pluviométriques était essentiellement dû à la densité du réseau, il aurait eu lieu vraisemblablement en 1979. En effet, à cette date le nombre moyen de stations pluviométriques en activité sur le bassin du Merguellil a varié de 15 (sur la période 1966- 1979) à 23 stations (sur la période 1979-1998).
5-4-4- Homogénéité des distributions de probabilité des classes spatiales de pluie
En utilisant tous les événements, nous avons étudié le pourcentage de surface du bassin du Merguellil couvert par une classe de pluie. Les valeurs médianes estimées à partir du pourcentage de superficie couverte par une classe donnée de pluie sont rapportées dans le Tableau 5.9. Il montre qu’alors que les valeurs médianes pour les quatre premières classes ont augmenté, la cinquième classe a connu une baisse à partir de l’année 1976.
Figure 5.14 Distributions cumulatives des pourcentages des surfaces couvertes par les classes de pluie pendant les grands évènements pluvieux
Par ailleurs, les distributions cumulatives des superficies couvertes par les différentes classes
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 114 Chapitre V : Evolution des séries pluviométriques de la zone d¶étude de pluie sont portées sur la Figure 5.14. Il en sort que pour la classe 1 (Figure 5.14a), la distribution est presque uniforme alors que les distributions des autres classes sont penchées vers les faibles valeurs. Nous avons aussi trouvé que les distributions cumulatives pour les classes 1 à 4 sont homogènes sur les trois périodes sélectionnées (Figures 5.14a, 5.14b, 5.14c et 5.14d). Pour la cinquième classe (Figure 5.14e), la distribution cumulative est relativement différente d'une période à une autre. En effet, le comportement pendant les périodes 1966- 1976 et 1976-1989 est très différent avec un abaissement du pourcentage de superficie couverte par la classe 5 depuis 1976 pour une même fréquence.
Tableau 5.9 Comparaison des valeurs médianes du pourcentage des superficies couvertes par chaque classe de pluie dans les différentes périodes sélectionnées Valeur médiane à différentes périodes (%) Numéro de classe Limite de classe 1966-1976 1976-1989 1989-1998 1 0-5 mm 22.3 27.6 23.0 2 5-10 mm 13.4 18.4 13.5 3 10-20 mm 16.2 24.7 22.6 4 20-30 mm 10.1 12.3 9.5 5 > 30 mm 7.6 2.2 2.9 Pour vérifier l'homogénéité des distributions de la classe 5 sur les différentes périodes, nous avons appliqué le Test de Smirnov (Saporta, 1990). La statistique D du test correspondant à la période 1966-1976 comparée à la période 1976-1989 est égale à 0.282 alors que celle issue de la comparaison des périodes 1976-1989 et 1989-1998 est égal à 0.018. Par conséquent, pour un niveau de signification de 5% (Dcritical < 0.23), la distribution de la période 1966-1976 est considérablement différente de celle de la période 1976-1989. Cependant, nous constatons que pour ce seuil de fiabilité la distribution de la période 1976-1989 n'est pas statistiquement différente de celle de la période 1989-1998. Ceci est confirmé par les valeurs médianes du pourcentage de superficies couvertes par la classe 5 proches pour ces deux périodes illustrées dans le Tableau 5.9 (2.2 et 2.9% pour respectivement 1976-1989 et 1989-1998 contre 7.6% pour la période 1966-1976). Ainsi, l’année 1976 a été considérée comme une année de changement en ce qui concerne la distribution du cumul annuel des surfaces du bassin du Merguellil couvertes par les pluies supérieures à 30 mm.
5-5- Conclusion
L'étude de huit séries pluviométriques annuelles de la Tunisie centrale a mis en évidence une séquence déficitaire entre 1976 et 1989. Trois méthodes de détection de changement dans les séries chronologiques (le test de Pettitt, la procédure de la segmentation de Hubert, et la méthode bayésienne de Lee et Heghinian) n'ont pas conclu au changement de stationnarité dans les séries individuelles des variables dérivées des pluies journalières mesurées aux différentes stations pluviométriques. Cependant, le test F a montré que les distributions des pluies supérieures à 30 mm ne sont pas statistiquement homogènes sur les trois périodes (1966-1976, 1976-1989 et 1989-1998), avec une baisse importante de leur contribution entre
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 115 Chapitre V : Evolution des séries pluviométriques de la zone d¶étude 1976 et 1989.
Le réseau entier constitué de 25 stations a été ensuite utilisé pour visualiser les distributions spatiales des événements pluviométriques les plus importants et construire les distributions cumulatives des pourcentages des superficies couvertes par les pluies journalières supérieures à 30 mm dans chacune des trois périodes (1966-1976, 1976-1989 et 1989-1998). Pour un niveau de signification de 5%, le test de Smirnov est parvenu à la conclusion selon laquelle les distributions des surfaces couvertes par les pluies supérieures à 30 mm sont significativement différentes entre les périodes 1966-1976 et 1976-1989. Ainsi, 1976 constitue une année de changement en ce qui concerne la distribution du cumul annuel des surfaces couvertes par ces pluies. Par contre, le nombre moyen annuel de jours où l’isohyète 30 mm est présent dans la région d'étude a augmenté de 11 jours (sur la période 1966-1989) à 16 jours (sur la période 1989-1998). Par conséquent, alors que le nombre moyen annuel de jours où l’isohyète 30 mm est présent dans la région d'étude a augmenté depuis 1989, la distribution de la couverture spatiale des pluies supérieures à 30 mm a connu une baisse considérable depuis 1976. Ces résultats confirment le rôle particulier joué par ces deux années dans la variabilité climatique récente de la Tunisie centrale.
Les réductions de la couverture spatiale et du cumul des contributions des événements pluvieux importants après 1976 peuvent être perçues comme faisant partie des éléments qui ont contribué à la baisse des apports du bassin versant du Merguellil pendant la première décennie d'exploitation du barrage d’EL Haouareb. Cependant une certaine reprise pluviométrique enregistrée sur la période 1989-1998, particulièrement l'augmentation du nombre de jours de pluies supérieures à 30 mm, nous oriente vers l’hypothèse que la combinaison de l’action humaine et de la variabilité pluviométrique est plus apte à expliquer la baisse des apports de l’oued Merguellil sur cette période.
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 116 6. Présentation du modèle d’écoulements « MODCOU » et discrétisation de la zone d’étude Les phénomènes naturels étant très complexes il est difficile de trouver un modèle qui les représente entièrement. Selon le type de simplification effectuée, il existe donc plusieurs types de modèles qui répondent chacun à une problématique bien déterminée. C’est pour cette raison que quand on veut étudier un phénomène, si l’on ne peut pas construire son propre modèle, il faut trouver dans la panoplie de modèles sur le marché celui qui répond le plus fidèlement possible à la problématique posée. Dans notre cas le problème étant d’étudier le cycle global (superficiel et souterrain) de l’eau sur un bassin affecté par des changements d’occupation. Il faut trouver un modèle qui réponde à ces deux exigences. Le modèle MODCOU a été choisi parce qu’il a déjà fait ses preuves dans divers contextes climatiques. D’autre part, il permet de simuler l’ensemble du cycle de l’eau en bassin et sa fonction de production de type conceptuel permet de prendre en compte divers changements d’occupation. Ce chapitre commencera par une brève présentation du modèle d’écoulement utilisé. Les choix de la date de référence et de la période d’étude seront effectués après. Ensuite nous présenterons les conditions aux limites de la zone d’étude ainsi que le découpage géométrique adopté. Nous terminerons par une paramétrisation spatio-temporelle de la fonction de production du modèle hydrologique qui tient compte de l’état naturel du bassin ainsi que de la chronologie d’implantation des aménagements de conservation des eaux et des sols mis en place dans ce bassin depuis trois décennies. 6-1- Description du modèle d’écoulement
6-1-1- Le modèle Modcou Le modèle MODCOU (Ledoux, 1980), développé à l’Ecole des Mines de Paris et qui présente l’avantage d’avoir été appliqué dans divers contextes (Ledoux et al., 1989 ; Ambroise et al., 1995 ; Violette et al., 1997 ; Etchevers et al., 2001), est utilisé dans cette étude. Il divise le cycle de l’eau en cinq fonctions : la fonction d’entrée, la fonction de production, la fonction de transfert en surface, la fonction de transfert en souterrain (transferts en zone non saturée et en zone saturée) et la fonction des échanges entre la surface et le souterrain (Girard et al., 1981). La fonction d’entrée représente les précipitations sur la zone d’étude et les échanges aux limites. La fonction de production est de type conceptuel à réservoirs (Figure 6.2), elle répartit les précipitations entre l’infiltration, le ruissellement, l’évapotranspiration et le stockage dans le sol (Girard, 1975 ; Girard et al., 1981 ; Goula Bi Tie, 1993 ; Golaz-Cavazzi, 1999 ; Gomez, 2002). Elle est définie pour chaque zone d’homogène production et est constituée de deux variables d’état (R et RNAP) et sept paramètres dont cinq capacitifs (CRT, DCRT, FN, QRMAX et QIMAX) et deux de vidange (CQR et CQI). Chapitre VI : Présentation du modèle d¶écoulements « MODCOU » et discrétisation de la zone d¶étude Le transfert en zone non saturée est effectué à l’aide du modèle à réservoirs en cascade de Nash. Ce modèle conceptuel assimile la zone non saturée à une succession de N réservoirs caractérisés par un même temps de vidange qui définit la vitesse de percolation de l’eau dans le sol (Besbes, 1978). Toutefois, le transfert en zone non saturée n’a pas été pris en compte dans cette modélisation. Ce choix a été motivé par le fait que le niveau statique de la nappe est à faible profondeur et qu’elle est presque affleurante dans certaines zones. En effet, la Figure 6.1 montre que la profondeur moyenne des puits qui captent la nappe phréatique est d’environ 15 m et que celle du plan d’eau est de 12 m. D’autre part, les échelles de temps considérées pour les données piézométriques (mesures mensuelles semestrielles) sont suffisamment longues pour que les quantités infiltrées aient le temps de rejoindre la nappe.
Figure 6.1 Distributions empiriques du niveau statique et de la profondeur de tous les puits recensés pendant toute la période d’étude. Par ailleurs, étant donné que nous ne disposions pas de suffisamment de données pour étudier efficacement le transfert en zone saturée et que le modèle dispose déjà d’un important nombre de paramètres, le souci de parcimonie a été aussi l’un des facteurs qui ont motivé le choix de ne pas activer le module de la zone non saturée. Ce choix peut avoir comme conséquence un asynchronisme entre les piézométries mesurée et calculée. Le retard induit par le transfert en zone non saturé n’étant pas pris en compte, les quantités infiltrées arriveraient plus rapidement à la nappe. Le transfert dans la zone saturée est effectué à l’aide du modèle NEWSAM (Levassor et Ledoux, 1996), basé sur l’intégration numérique de l’équation de la diffusivité (éq. 5.1) régissant les écoulements en milieux poreux. La schématisation multicouche des systèmes
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 118 Chapitre VI : Présentation du modèle d¶écoulements « MODCOU » et discrétisation de la zone d¶étude hydrogéologiques distingue les couches aquifères, sièges d’écoulements en nappe, séparées par des couches semi-perméables où les circulations sont faibles. L’approximation de cette équation (éq. 5.1) par la méthode des différences finies conduit à un système d’équations linéaires dont la résolution permet d’estimer la charge hydraulique en tout point du domaine souterrain maillé.
¶h div (T grad h) = S + q + q + q (5.1) ¶t sup inf Avec h la charge hydraulique, T la transmissivité, S le coefficient d’emmagasinement, q le débit injecté ou prélevé, qsup le débit surfacique échangé avec le semi-perméable supérieur, et qinf le débit surfacique échangé avec le semi-perméable inférieur. Les échanges nappe-rivière (QNAP) s’effectuent entre la rivière et la nappe souterraine qui se correspondent verticalement. Ils sont calculés en fonction du niveau de la rivière (h0) et du niveau piézométrique de la nappe (h). Un paramètre TP (éq. 5.2), qui reflète la perte de charge entre la rivière et la nappe, permet de schématiser ce transfert.
QNAP = TP()h - h0 (5.2)
Le transfert en surface se décompose en transfert sur les versants et en rivière. Le réseau hydrographique est ainsi découpé en biefs constitués chacun d’une succession de mailles rivières appartenant à une zone comprise entre deux isochrones données. Les biefs se vident les uns dans les autres selon le modèle suivant (éq. 5.3). Un coefficient de vidange caractérise ainsi chaque bief.
n Vi, j+1 = ()1- XKBi * ()()Vi, j + QRi, j + QNAPi, j + å XKBk Vk, j + QRk , j (5.3) k =1
Avec Vi, j+1 le volume d’eau stocké dans le bief i au pas de temps j+1, QRi, j la quantité d’eau disponible au pas de temps j en provenance des sous bassins ruisselant dans le bief i, XKBi le coefficient de vidange du bief i, QNAPi, j la quantité d’eau échangée au pas de temps j entre le domaine souterrain et les mailles rivières constituant le bief i, et n le nombre total de biefs qui se jettent dans le bief i. Les différentes fonctions sont représentées à travers une structure modulaire qui confère à MODCOU une certaine souplesse, notamment la possibilité d’être couplé avec d’autres modèles. C’est ainsi que Etchevers et al. (2001) l’ont couplé avec le modèle ISBA de Météo- France pour étudier les ressources en eau du bassin du Rhône. 6-1-2- La fonction de production La fonction de production standard de MODCOU comporte deux variables d’état et sept paramètres qui régissent la répartition des pluies entre les différents éléments du cycle de l’eau (Figure 6.2). Elle est composée par trois principaux types de réservoirs : un réservoir de
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 119 Chapitre VI : Présentation du modèle d¶écoulements « MODCOU » et discrétisation de la zone d¶étude bilan, un réservoir de séparation entre l’infiltration et le ruissellement, et deux réservoirs de transfert. Le réservoir de bilan reçoit la pluviométrie et régit la façon dont on répartit l’eau entre le stock dans le sol, l’évapotranspiration et une quantité dénommée «EAU» qui sera plus tard repartie entre le ruissellement et l’infiltration. Ce réservoir contient deux principaux paramètres (DCRT et CRT) :
à Le paramètre DCRT est la valeur minimale en mm du stock en eau du sol, en deçà de laquelle aucune production d’eau n’est possible pour le ruissellement et la recharge de la nappe. Ce paramètre règle principalement le rôle des premières pluies survenant après une période de sécheresse.
à Le paramètre CRT est la valeur moyenne en mm du stock en eau du sol. L’évapotranspiration réelle croit avec ce paramètre qui conditionne ainsi le bilan hydrique global.
Figure 6.2 Paramètres et variables d’état de la fonction de production standard du modèle MODCOU (Girard et al., 1981). Le deuxième réservoir règle la façon dont la quantité «EAU» produite est répartie entre le ruissellement et l’infiltration. Un seul paramètre, FN, caractérise ce réservoir :
à Le paramètre FN est la valeur maximale en mm de l’infiltration sur un pas de temps. Si la quantité «EAU» produite est en deçà de FN, elle s’infiltre en totalité. Dans le cas contraire, une quantité FN est destinée à l’infiltration et le reste (EAU-FN) est envoyé vers le ruissellement. Les réservoirs de type transfert caractérisent la façon dont l’eau destinée à l’infiltration et au ruissellement est acheminée. Il existe donc deux réservoirs de type transfert relatifs à ces deux
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 120 Chapitre VI : Présentation du modèle d¶écoulements « MODCOU » et discrétisation de la zone d¶étude processus. Chacun de ces réservoirs est caractérisé par deux paramètres, on a ainsi 4 paramètres en totalité (CQR, QRMAX, CQI et QIMAX).
à Le paramètre CQR est le coefficient de tarissement du réservoir de ruissellement.
à Le paramètre QRMAX est le niveau de débordement du réservoir de ruissellement. Il établit avec CQR la répartition entre le ruissellement pur et le ruissellement retardé.
à Le paramètre CQI est le coefficient de tarissement du réservoir d’alimentation de la nappe.
à Le paramètre QIMAX est le niveau de débordement du réservoir d’alimentation de la nappe. Ce paramètre, ainsi que le paramètre CQI, permet d’introduire un certain retard entre l’infiltration et l’alimentation de la nappe. Les variables d’état sont au nombre de deux et définissent l’état du réservoir sol (R) et celui du réservoir qui alimente la nappe (RNAP). 6-2- Choix de la date de référence et de la période d’étude
La modélisation conjointe des écoulements superficiels et souterrains a besoin de diverses données parmi lesquelles la pluviométrie, l’hydrométrie, la piézométrie et l’exploitation des nappes. La chronologie de la mesure de ces données dans le bassin du Merguellil est résumée dans la Tableau 6.1. A partir des périodes d’observation des différentes données, 1970 a été choisie comme l’année de référence. Ce choix a été motivé par le fait que d’une part cette date correspond au début des mesures piézométriques dans la zone d’étude : les mesures ont déjà débuté sur 14 piézomètres à la fin de l’année 1970 (annexe 6). D’autre part, elle correspond à une période où l’exploitation des nappes du Merguellil était encore relativement faible et mal connue. D’ailleurs les premières mesures des prélèvements dans les nappes profondes dans cette région n’ont débuté que vers 1973. Nous avons cependant quelques estimations de ces prélèvements, sur la période antérieure, par une étude précédemment effectuée sur la zone (Besbes, 1967). Le régime initial du système souterrain a été ainsi reconstitué à cette date. En 1970, une seule station hydrométrique était en service sur le bassin du Merguellil et on recense 13 stations pluviométriques dont les mesures sur la majorité d’entre elles venaient à peine de commencer (Tableau 6.1). Les crues exceptionnelles de l’année hydrologique 1969/70 seront prises en compte dans cette modélisation pendant la phase de validation. En effet, nous tenterons leur reconstitution à la seule station de Haffouz qui était opérationnelle pendant cette période. L’objectif est de vérifier si les paramètres du modèle issus du calage permettent de reconstituer un comportement raisonnable du système à la suite d’une perturbation aussi grande. Nous avons choisi d’arrêter notre période d’étude à 1998, parce que les estimations des apports au barrage d’El Haouareb élaborés dans un précédent travail vont jusqu’à cette date (Kingumbi, 1999). La modélisation des écoulements du bassin du Merguellil sera ainsi effectuée sur une période de 28 ans, allant de 1970 à 1998.
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 121 Chapitre VI : Présentation du modèle d¶écoulements « MODCOU » et discrétisation de la zone d¶étude Tableau 6.1 Périodes d’observation des principales données de la zone d’étude
6-3- Maillage et conditions aux limites de la zone d’étude
6-3-1- Maillage de la zone d’étude La zone d’étude a été discrétisée en mailles de tailles variables (mailles gigognes). Nous avons opté pour 3 tailles de mailles pour l’écoulement de surface et une taille pour les mailles du modèle souterrain. 6-3-1-1- Maillage du système superficiel La discrétisation du domaine a été effectuée à partir du MNT du bassin versant du Merguellil. Etant donné l’étendue spatiale de ce bassin, une taille minimale de maille de 500 mètres de côté nous a semblé adaptée pour cette étude. En utilisant le système d’information géographique IDRISI et les fonctions hydrologiques qui lui ont été adaptées par Leblois (1993), une série d’informations hydrologiques ont été calculées : information sur les direction de drainage, information sur le réseau hydrographique, information sur les surfaces drainées en chaque maille, et information sur le découpage du bassin versant en sous bassins. Ces informations et le découpage du bassin en zones de production ont été utilisés par un ensemble de programmes appelé SIGMOD (Golaz-Cavazzi, 2000) pour générer un maillage
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 122 Chapitre VI : Présentation du modèle d¶écoulements « MODCOU » et discrétisation de la zone d¶étude du bassin versant du Merguellil de type NEWSAM, définir son réseau de drainage et faire sa répartition en zones isochrones et de production. Au total nous avons discrétisé le bassin du Merguellil en 2070 mailles de surface dont les tailles varient entre 500 et 2000 m (Figure 6.3). Elles ont ensuite été réparties en mailles versants et en mailles rivières. En tenant compte de la largeur des principaux oueds, la plus petite taille (500 m) a été attribuée aux différentes mailles rivières. De plus, les caractéristiques physiographiques (altitude et numéro de la fonction de production) ont été définies pour chacune de ces mailles. Par ailleurs, on a défini les mailles dites « gouffres » dont le principe a été introduit dans MODCOU par Golaz-Cavazzi (1999). Elles permettent de représenter les zones où l’eau ruisselante provenant de l’amont atteint une zone fortement perméable. Pour chacune des mailles de cette zone on calcule alors la lame ruisselée amont qui est ensuite basculée en lame infiltrée au niveau de la maille gouffre. Les positions des ces zones d’engouffrement sont précisées sur le maillage de surface. Pour le bassin du Merguellil, nous avons positionné les mailles gouffres au niveau des piedmonts (Figure 6.4b) des principaux reliefs (djebels Ouesslat, Touila et Trozza). 6-3-1-2- Maillage du système souterrain Le système souterrain a été discrétisé en deux couches. La première couche qui représente la « nappe phréatique » est composée de 419 mailles d’une même taille (1000 m). La seconde couche appelée « nappe profonde » est constituée de 584 mailles de la même taille que la nappe phréatique (Figure 6.3). Cette schématisation en deux couches a été motivée par les corrélations litho-stratigraphiques et la déconnexion des deux nappes dans certaines zones du bassin (Kingumbi et al., 2005b). Dans la zone de Bouhafna, il existe une large étendue des affleurements oligocènes (Figure 4.2). Deux sondages exécutés dans ces affleurements en 1981 (Oued El Karmoussa (120 m) et El Khobna (140 m)), qui ont atteint le substratum imperméable, ont montré que cette partie de l’aquifère n’était pas saturée. Ceci indique que ces affleurements ne joueraient qu’un rôle de collecteur d’eau vers la partie saturée. Nous avons ainsi préconisé une troisième couche appelée « couche intermédiaire » sans capacité d’emmagasinement significatif, pour tenir compte de cette zone assez étendue en surface (115 km2). Cette couche collecte ainsi les infiltrations sur les affleurements oligocènes de Bouhafna et les transmet latéralement vers la partie saturée que constitue la nappe profonde. La couche ainsi délimitée est composée de 114 mailles et nous l’avons placée entre la couche phréatique et la couche profonde (Figure 6.3). 6-3-2- Définition des conditions aux limites du système L’alimentation du système se fait par les affleurements et les djebels. La nappe profonde s’alimente au niveau des affleurement oligocènes de Bouhafna et Cherichira, ainsi qu’au niveau des djebels Trozza, Touila et des calcaires éocènes du djebel Ouesslat (Figure 6.3).
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 123 Chapitre VI : Présentation du modèle d¶écoulements « MODCOU » et discrétisation de la zone d¶étude Nous avons aussi supposé une alimentation de la nappe par l’oued Merguellil lors de son passage sur les affleurements oligocènes : drain imposé pour la nappe profonde (Figure 6.4).
Figure 6.3 Maillage, conditions aux limites du système souterrain et réseau de surveillance piézométrique du bassin du Merguellil. Pour ce qui est de la nappe phréatique, en plus des alimentations au niveau des piedmonts, nous avons supposé une certaine alimentation directe par la pluie. La valeur de cette alimentation, supposée égale à 5% de la pluie moyenne interannuelle (1970-1998) à l’état initial, a été déterminée en partant des résultats des études antérieures sur la zone d’étude (Gribaa, 1997 ; Baba Sy 1999). Pour ce qui est des sorties du système, la nappe phréatique est drainée par les principaux oueds : Ben Zitoune, Merguellil, Zebbes et Zeroud. Tandis que la nappe profonde a comme exutoire les sources (Iktifet El Omrane, Zeroud et Cherichira) ainsi que les percolations en profondeur vers la nappe de la plaine de Kairouan à travers le seuil d’El Haouareb. En régime initial, trois types de conditions aux limites ont été utilisées : les conditions de débits, de potentiels et de drains imposés (Figure 6.4a). Les conditions de débits imposés ont été admises pour l’alimentation du système au niveau des zones d’affleurements (Bouhafna) et des piedmonts des djebels (Ouesslat, Touila et Trozza). Les conditions de potentiels
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 124 Chapitre VI : Présentation du modèle d¶écoulements « MODCOU » et discrétisation de la zone d¶étude imposés ont été utilisées au niveau des affleurements des grès oligocènes de Cherichira. Les conditions de drains imposés ont été admises (Figure 6.4a) : (a) dans les mailles de la nappe phréatique en communication avec les oueds, (b) dans les mailles de la nappe profonde en relation avec les principales sources inventoriées dans le bassin du Merguellil et (c) dans les mailles d’alimentation de la nappe profonde par l’oued Merguellil.
Figure 6.4 Précision des conditions aux limites utilisées pour le calage du système souterrain (a) à l’était initial et (b) en régime transitoire En régime transitoire (Figure 6.4b), les infiltrations étant calculées par la fonction de production, les conditions de débits et potentiels imposés ont été levées. Cependant, on a préalablement défini les mailles gouffres au niveau des piedmonts des principaux djebels pour pouvoir infiltrer le ruissellement sur ces reliefs vers la nappe. 6-4- Répartition spatiale des paramètres de la fonction de production
Le modèle MODCOU offre la possibilité d’utiliser un maximum de 14 fonctions de production. En conséquence, dans la détermination des zones homogènes, il ne faut considérer que les paramètres les plus pertinents pour décrire l’état de surface de la zone d’étude. Dans le cas du Merguellil, deux paramètres nous ont semblé essentiels pour définir les zones homogènes : l’état naturel (les sols et leurs occupations) et les aménagements CES qu’a connu ce bassin. 6-4-1 Etat naturel En partant des conditions naturelles, les paramètres de la fonction de production sont distribués spatialement en tenant compte de la nature des sols, de leur occupation et des affleurements des couches aquifères. Cinq fonctions homogènes de production ont été ainsi définies : quatre fonctions notées « sol et occupation » ont trait à la nature des sols et à leurs
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 125 Chapitre VI : Présentation du modèle d¶écoulements « MODCOU » et discrétisation de la zone d¶étude occupations et une fonction a été définie pour tenir compte des affleurements de la principale formation aquifère (Oligocène) de la zone d’étude. Tableau 6.2 Entités pédologiques retenues pour le bassin du Merguellil Numéro Nature pédologique Superficie (km2) 1 Croûtes calcaires 214 2 Marnes - Argiles 236 3 Grès - Marnes 256 4 Sables -Argiles 95 5 Grès - Sables 121 6 Matériaux sableux 403 Les sols ont été répartis en 6 classes (Tableau 6.2) dont l’échelle est graduée de 1 à 6 en partant du sol qui favorise le ruissellement des versants au détriment de l’infiltration vers celui qui favorise l’infiltration au détriment du ruissellement. De la même manière, les occupations des terres ont été rangées de 1 à 5 en fonction de leur aptitude à favoriser le ruissellement ou l’infiltration (Tableau 6.3). Tableau 6.3 Différentes occupations des terres du bassin du Merguellil Numéro Occupation des terres Superficie (km2) 1 Zones inondables – Zones Bâties 17 2 Zones de parcours 353 3 Zones d’arboriculture 304 4 Zones des cultures annuelles 429 5 Zones des forêts 222 Nous avons superposé ces deux informations dans le SIG ArcView par une fonction multiplicative des numéros des classes de chacune des deux couches. Cette opération a donné une nouvelle carte de 17 entités (Figure 6.5) dont les numéros des nouvelles entités varient de 1 à 30. Les faibles valeurs sur cette carte représentent les zones qui favorisent plus l’écoulement tandis que les fortes valeurs représentent les zones qui favorisent plus l’infiltration. Nous avons ensuite réparti les 17 entités obtenues en quatre nouveaux ensembles qui constituent les zones de production homogènes (Figure 6.5 et Tableau 6.4). La Figure 6.6 reporte la répartition spatiale de ces ensembles ainsi que celle des affleurements Oligocène :
- La première zone de production homogène, appelée « Croûtes », occupe surtout les principaux reliefs du bassin. On la rencontre au niveau des djebels Trozza, Touila, Cherichira, Ouslatia et sur le haut plateau de la Kesra.
- La deuxième zone de production homogène se trouve essentiellement en zone forestière de l’amont du bassin comprise dans le bassin de Skhira et celui de l’oued El Morra. Nous la nommerons « forêts » qui constitue son occupation prédominante.
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 126 Chapitre VI : Présentation du modèle d¶écoulements « MODCOU » et discrétisation de la zone d¶étude
Figure 6.5 Dix sept entités issues de la superposition des classes pédologiques et d’occupations et leur subdivision en zones d’homogène production - La troisième zone de production est présente sur l’ensemble du bassin du Merguellil. Nous la nommerons « argiles », sa prédominante texture pédologique. Tableau 6.4 Entités d’homogène production retenues pour le bassin du Merguellil Numéro Nom Plages des anciennes classes Superficie (km2) 1 Croûtes 1-6 369 2 Forêts 7-10 202 3 Argiles 11-16 300 4 Sables 17-30 280 5 Affleurements Affleurements Oligocènes 174
- La quatrième zone de production homogène se situe essentiellement dans la partie aval du bassin caractérisée par la présence des nappes aquifères, particulièrement le plateau d’El Ala et dans la région d’Aïn Baïdha. Nous la désignerons par les « sables » qui constituent l’essentiel de sa texture pédologique. La cinquième zone de production homogène a été proposée pour tenir compte des affleurements de la principale formation aquifère de ce bassin. Elle sera qualifiée par le nom « affleurements ». 6-4-2- Aménagements Le bassin du Merguellil a connu plusieurs types d’aménagements. Dans la répartition spatiale des paramètres de la fonction de production nous n’avons tenu compte que des aménagements les plus importants et pour lesquels nous disposions d’une certaine chronologie d’implantation : les aménagements en banquettes et les aménagements en lacs et barrages collinaires. Nous avons supposé que les aménagements en banquettes avaient pour effet de favoriser l’infiltration au détriment du ruissellement. Une fonction de production appelée
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 127 Chapitre VI : Présentation du modèle d¶écoulements « MODCOU » et discrétisation de la zone d¶étude « banquettes » a été ainsi créée pour tenir compte de leur comportement spécifique. Une étude des systèmes de production autour des lacs collinaires a montré que la plus grande part des eaux des lacs collinaires se perdaient par évapotranspiration (Selmi, 1996). Tenant compte de l’absence d’information sur les quantités prélevées pour l’usage des agriculteurs et sachant que le modèle ne nous permet pas d’en tenir compte, nous avons proposé une nouvelle fonction de production appelée « lacs collinaires » qui suppose que pour les sous- bassins des lacs et barrages collinaires les pluies sont perdues par l’évapotranspiration réelle.
Figure 6.6 Répartition spatiale des zones de production homogène issues de la superposition de l’occupation et de la nature des sols Pour cette fonction de production, on suppose aussi que l’infiltration est négligeable dans les sous-bassins des lacs et barrages collinaires. Ceci a été adopté après avoir constaté que la quasi-totalité des lacs sont situés à l’amont du bassin où les nappes aquifères sont presque inexistantes (Figure 2.8). Pour ce qui concerne les lacs situés dans la partie aval qui comporte l’essentiel des nappes du bassin du Merguellil, nous avons affecté aux sous bassins des lacs la fonction de production de type aménagement en banquettes. C’est le cas du lac collinaire El Hoshas dont l’objectif est justement l’alimentation de la nappe de Haffouz, ainsi que pour le lac Ben Zitoune situé dans la zone d’Aïn Baïdha. Pour les lacs situés dans les affleurements oligocènes de Bouhafna, la fonction de production « affleurements » qui favorisait l’infiltration au détriment du ruissellement a été conservée.
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 128 Chapitre VI : Présentation du modèle d¶écoulements « MODCOU » et discrétisation de la zone d¶étude 6-5- Prise en compte de la variabilité temporelle des paramètres
Lorsqu’il n’y a pas de changement d’occupation (pas de lac collinaire ni banquettes), les paramètres des fonctions de production restent uniformes dans le temps sur les mailles. Lorsqu’il y a un changement d’état de surface une nouvelle valeur des paramètres de la fonction de production est imposée. Les 4 fonctions de productions relatives à l’occupation et à la nature des sols ainsi que la fonction relative aux affleurements oligocènes sont supposées ne pas changer en fonction du temps. Il n’y a donc que les deux dernières, concernant les aménagements, qui sont variables dans le temps. Au cours de l’historique, nous avons donc pour les différents aménagements 8 fonctions de production supplémentaires susceptibles d’être rajoutées, si on considère la fonction « eau » définie automatiquement par le modèle comme la fonction de production numéro 2. Tableau 6.5 Description des fonctions de production supplémentaires issues de la chronologie d’implantation des aménagements CES sur le bassin du Merguellil Fonction de production Surface couverte Date de début Fonction de production initiale affectée supplémentaire et sa nature (km2) (années) par le changement Fonction 7 (banquettes) 48.50 1985 Croûtes Fonction 8 (banquettes) 77.75 1995 Argiles Fonction 9 (banquettes) 9.00 1980 Croûtes Fonction 10 (lacs) 10.00 1986 Croûtes Fonction 11 (lacs) 30.75 1992 Forêts Fonction 12 (lacs) 16.00 1994 Argiles Fonction 13 (lacs) 21.75 1995 Sables Fonction 14 (lacs) 9.50 1996 Argiles La vague la plus importante des aménagements en banquettes ayant commencé avec les années 1980, nous ne considérerons que ceux mis en place au cours des deux dernières décennies (Figure 2.7). Les aménagements mis en place au cours d’une décennie ont été comptabilisés à partir du milieu de la décennie, c’est ainsi que les aménagements des années 1980 ont été supposés, dans le modèle, commencer en 1985 tandis que ceux des années 1990 ont été supposés commencer en 1995. Partant des dates d’implantation des lacs et barrages collinaires, six changements ont été considérés. Les retenues aménagées avant les crues de 1969, qui sont supposées s’être envasées à la suite de ces évènements exceptionnels, n’ont pas été prises en compte. D’autre part, par souci de parcimonie de paramètres, les lacs de Ben Zitoune (mis en place en 1993) et d’El Hoshas (mis en place en 1989) ont été pris en compte dans les aménagements en banquettes des décennies respectivement 1990 et 1980.
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 129 Chapitre VI : Présentation du modèle d¶écoulements « MODCOU » et discrétisation de la zone d¶étude
Figure 6.7 La représentation pour chaque fonction de production initiale des superficies des mailles affectées par un changement avant et après la répartition des huit fonctions de production supplémentaires.
Figure 6.8 Evolution temporelle des proportions de surface des fonctions de production initiales concernées par un changement et le type de changement intervenu. Par ailleurs, Les lacs d’Abda (1970), Dahbi (1980) et d’El Marrouki (1973) implantés dans les zones aquifères, ont été intégrés en tant que fonction « banquettes » dont 1980 est supposée être la date de commencement. Ainsi au total cinq fonctions de production de type « lacs collinaires », dont les dates de commencement sont les suivantes, ont été répertoriées : 1986 (lacs de Bouksab et Maiz), 1992 (lacs de Fidh Ben Nasser, Bouchiha 1, Bouchiha 2, Fidh Ali, El Gatar, Fedden Bou Ras, El Morra, Absa1 et Absa2), 1994 (lacs de El Mahbes, Wad Hajar,
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 130 Chapitre VI : Présentation du modèle d¶écoulements « MODCOU » et discrétisation de la zone d¶étude Aïn Smili, Wad Daoud et Sidi Sofiane), 1995 (lacs de El Ghatatis et Kharrou) et 1996 (Lacs de Nmal, Aïn Smili et El Gassaa).
Figure 6.9 Distribution spatiale des fonctions de production sur la période 1996-1998 Les mailles concernées par un changement dû aux aménagements (banquettes ou retenues collinaires) sont affectées à l’origine par des fonctions de production dites initiales qui sont relatives aux sols et à leurs occupations (croûtes, forêts, argiles et sables). Chacun des huit changements proposés pouvant concerner les mailles occupées par les quatre fonctions de production initiales, on devrait ainsi avoir un total de 32 changements à effectuer (8*4). Du point de vue pratique, ceci ramènerait à 32 le nombre de fonctions de production supplémentaires à implanter dans le modèle. Or la version du modèle MODCOU utilisée dans cette étude n’admet que 14 fonctions de production différentes, ce qui limite à 8 le nombre de fonctions de production supplémentaires à définir. Pour palier à ce problème, nous avons supposé que les mailles concernées par un changement admettaient la fonction de production initiale la plus représentative (Tableau 6.5). Ainsi malgré un certain changement dans la répartition spatiale, les surfaces des fonctions de production initiales affectées par un changement restent relativement les mêmes avant et après la mise en application de cette hypothèse (Figure 6.7). La chronologie d’évolution de toutes les fonctions de production en fonction du temps est
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 131 Chapitre VI : Présentation du modèle d¶écoulements « MODCOU » et discrétisation de la zone d¶étude comprise dans la Figure 6.8 et le Tableau 6.6. La Figure 6.9 représente la dernière répartition spatiale (pour la période 1996-1998) des 7 types de fonctions de productions (croûtes, forêts, argiles, sables, affleurements, banquettes et lacs collinaires) sur les mailles superficielles de la zone d’étude. Tableau 6.6 Chronologie des différents types de fonctions de production utilisées et l’étendue de leur couverture spatiale (Km²) sur le bassin du Merguellil Période Fonctions de production et surface couverte (km2)
1970-1980 Croûtes (369), Forêts (202), Argiles (300), Sables (280) et Affleurements (174)
1980-1985 Croûtes (360), Forêts (202), Argiles (300), Sables (280), Affleurements (174) et Banquettes (9)
19885-1986 Croûtes (311), Forêts (202), Argiles (300), Sables (280), Affleurements (174) et Banquettes (58)
Croûtes (301), Forêts (202), Argiles (300), Sables (280), Affleurements (174), Banquettes (58) et 1986-1992 Lacs collinaires (10) Croûtes (301), Forêts (171), Argiles (300), Sables (280), Affleurements (174), Banquettes (58) et 1992-1994 Lacs collinaires (41) Croûtes (301), Forêts (171), Argiles (284), Sables (280), Effleurements (174), Banquettes (58) et 1994-1995 Lacs collinaires (57) Croûtes (301), Forêts (171), Argiles (207), Sables (258), Effleurements (174), Banquettes (135) et 1995-1996 Lacs collinaires (79) Croûtes (301), Forêts (171), Argiles (198), Sables (258), Effleurements (174), Banquettes (135) et 1996-1998 Lacs collinaires (88) 6-6- Conclusion
Le modèle MODCOU qui simule à la fois les écoulements superficiels et souterrains est utilisé dans cette étude. Ce modèle a été choisi pour sa renommée internationale étant donné le nombre important et la diversité des contextes dans lesquels il a été utilisé. D’autre part, il est adapté au problème traité dans le cas du bassin du Merguellil puisqu’il simule les écoulements superficiels et souterrains, et que sa fonction de production de type conceptuel nous permettrait de prendre en compte les aménagements de conservation des eaux et des sols implantés dans ce bassin depuis plus de trois décennies. Cette étude va concerner une période de 28 ans (1970-1998) sur laquelle nous allons essayer d’estimer les différents éléments du cycle de l’eau. L’année 1970 a été ainsi choisi comme référence pour laquelle une reconstitution du régime initial d’écoulement en aquifères sera effectuée. La discrétisation de la zone d’étude a été effectuée en trois couches : une couche de surface et deux couches souterraines correspondant aux nappes phréatique et profonde. Une quatrième couche, qui permet d’acheminer latéralement les infiltrations sur les affleurements des grès oligocènes de Bouhafna vers la nappe profonde, a été rajoutée. La couche de surface a été discrétisée en environ 2000 mailles tandis que les couches phréatique et profonde se composent respectivement de 400 et 600 mailles. Après le maillage, les conditions aux limites du système ont été définies. Ainsi les zones d’alimentation et d’exutoire du système ont été spécifiées.
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 132 Chapitre VI : Présentation du modèle d¶écoulements « MODCOU » et discrétisation de la zone d¶étude La répartition spatiale des paramètres de la fonction de production a été effectuée en tenant compte de l’état naturel du bassin et des principaux aménagements de conservation des eaux et des sols. A partir de l’état naturel cinq zones d’homogène production ont été définies : quatre relatives aux sols et leurs occupations (« croûtes », « forêts », « argiles » et « sables ») et une relative aux affleurements de la principale formation aquifère (Oligocène) du bassin du Merguellil (« affleurements »). Les aménagements ont permis de définir deux zones d’homogène production, l’une relative aux banquettes, l’autre aux lacs collinaires (« banquettes » et « lacs collinaires »). Ce chapitre s’est terminé par la prise en compte de la variabilité temporelle des valeurs des paramètres de la fonction de production. Cette variabilité est liée aux changements des états de surface induits essentiellement par les aménagements de conservation des eaux et des sols que le bassin du Merguellil a connu depuis trois décennies. Ainsi partant de la chronologie d’implantation de ces aménagements CES, huit changements des paramètres ont été proposés : trois relatifs à la fonction de production « banquettes » et cinq autres relatifs à la fonction de production « lacs collinaires ».
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 133 7. Modélisation des écoulements superficiels et souterrains du bassin du Merguellil Les écoulements du bassin du Merguellil ont déjà fait l’objet de plusieurs études de modélisation. Ces études ont concerné soit les écoulements superficiels, soit les écoulements souterrains. Parmi les modélisations des écoulements superficiels, en dehors de Elleuch et Ben Amor (1998) qui ont tenté une modélisation de l’ensemble du bassin, la plupart des travaux ont concerné des sous bassins. C’est le cas des travaux de Gogien (1998) sur le bassin de Skhira, de Dhaoui (1998) sur le bassin de Zebbes, de Pabiot (2000) et Nasri et al. (2004) sur les sous bassins de deux retenues collinaires situées dans le bassin du Merguellil. En ce qui concerne les modélisations hydrogéologiques, deux travaux ont été effectués par Gribaa (1997) et Baba Sy (1999) et ont concerné respectivement les nappes de Bouhafna et d’Aïn Baïdha. Aucune modélisation intégrale de l’ensemble des ressources souterraines de ce bassin n’a donc jamais été tentée. Ce travail, qui consiste à modéliser l’ensemble des ressources superficielles et souterraines, constitue donc une avancée dans la connaissance des ressources du bassin du Merguellil. Il constitue surtout un véritable défi scientifique, étant donné la complexité du cycle hydrologique de ce bassin liée notamment à la disparité spatiale de la pluviométrie, l’interconnexion des écoulements superficiels et souterrains ainsi que les aménagements de conservation des eaux et des sols mis en place dans ce bassin depuis trois décennies. Le chapitre précédent ayant été consacré à la présentation du modèle d’écoulement utilisé ainsi qu’à la discrétisation du domaine d’étude, nous allons dans ce qui suit entamer la modélisation proprement dite des écoulements de ce bassin. Nous commencerons par une reconstitution de l’état initial du régime souterrain. Ensuite divers calages (monocritères et multicritère) effectués en régime transitoire seront présentés. Les séries optimales des paramètres seront alors choisies et utilisées pour reconstituer les éléments du bilan hydrologique qui seront après analysés. Une étude de l’impact de la prise en compte des ouvrages de conservation des eaux et des sols dans la modélisation sera effectuée et nous terminerons par une étude statistique des éléments du bilan pour tenter d’expliquer les raisons de la baisse constatée des écoulements du bassin du Merguellil pendant la dernière décennie. 7-1- Reconstitution de l’état initial du système souterrain
7-1-1- Procédure de calage La procédure classique de calage des modèles hydrogéologiques, qui consiste à faire varier les valeurs des transmissivités jusqu’à l’obtention d’une piézométrie calculée proche de celle observée, a été utilisée. Quelques centaines de passages d’essai des transmissivités ont été ainsi effectués pour essayer d’approcher la carte piézométrique construite à partir des mesures. Un autre objectif était d’approcher quelques estimations obtenues dans des travaux Chapitre VII : Modélisation des écoulements superficiels et souterrains du bassin du Merguellil antérieurs sur la communication du système avec ses environs. Notamment la communication entre le système et la plaine de Kairouan à travers le seuil d’El Haouareb (Cheib, 1988 ; Baba Sy, 1999 ; Nazoumou, 2002), les sources de l’oued Zeroud (Baba Sy, 1999), celles du Cherichira (Besbes, 1967) et celles d’Iktifet El Omrane (Gribaa, 1997). L’identification du système souterrain à l’état initial a ainsi abouti à des valeurs de transmissivités qui varient entre 10-3 et 10-4 m2/s pour la nappe phréatique, et entre 10-2 et 10-3 m2/s pour la nappe profonde. Ces variations cadrent bien avec les quelques mesures de transmissivités effectuées dans la zone d’étude (annexe 3). 7-1-2- Diagnostic Les cartes piézométriques issues du calage ont été exportées vers le Système d’Information Géographique Arc View pour être comparées avec celles issues de l’interpolation à partir des points de mesure. Il apparaît que l’allure piézométrique globale observée est assez bien restituée, malgré quelques écarts constatés dans certaines zones (Figure 7.1 et Figure 7.2).
Figure 7.1 Comparaison des cartes piézométriques initiales (1970) de la nappe phréatique : (a) calculée à partir des mesures et (b) simulée par le modèle. Les piézométries des zones d’entrées et des exutoires sont bien restituées. Pour les deux nappes nous aboutissons à des cartes assez proches de celles obtenues par les mesures dans les différentes zones (Figure 7.1 et Figure 7.2). Pour la nappe phréatique, nous avons dans la zone d’El Ala une convergence des écoulements vers l’oued Zebbes qui est assez bien reconstituée par la piézométrie simulée. Dans la zone d’Aïn Baïdha (Figure 7.1), la convergence des écoulements vers les oueds Merguellil et Zeroud a été aussi assez bien reconstituée par le modèle. Dans la zone de Haffouz la
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG)) 135 Chapitre VII : Modélisation des écoulements superficiels et souterrains du bassin du Merguellil reconstitution est moins bonne. Malgré une bonne reconstitution des sens d’écoulements (essentiellement vers l’oued Merguellil situé au Sud et au Sud-Ouest de Haffouz), la courbe isopièze 300 m reconstituée par le modèle est située légèrement plus haut que celle issue des mesures (Figure 7.1). Pour ce qui concerne la nappe profonde, les piézométries dans la zone de Bouhafna et d’Aïn Baïdha ont été les mieux reconstituées (Figure 7.2). La piézométrie dans la zone de Cherichira l’a été moins bien avec la courbe piézométrique 250 m calculée par le modèle légèrement décalée vers la gauche que celle obtenue par les mesures (Figure 7.2). Nous n’y avons pas affiné le calage étant donné le très petit nombre de mesures qui s’y trouve. En effet la Figure 4.14 montre que dans cette zone nous ne disposons que de 4 points d’observation.
Figure 7.2 Comparaison des cartes piézométriques initiales (1970) de la nappe profonde : (a) calculée à partir des mesures et (b) simulée par le modèle. Tableau 7.1 Sorties par les sources de la nappe profonde du bassin du Merguellil Source Cherichira Iktifet El Omrane Zeroud Seuil d’El Haouareb Débit drainé (l/s) 8 22 0.06 82 A partir de ce calage, nous avons effectué un bilan du système souterrain du bassin du Merguellil. Ce bilan montre qu’à l’état initial les ressources sont estimées à 875 l/s (Figure 7.3). La moitié de ces ressources s’infiltre équitablement sur la nappe phréatique et les affleurements oligocènes de Bouhafna alors que l’autre moitié s’infiltre par les piedmonts des principaux djebels (Ouesslat, Trozza, et Touila). 17% des ressources sont exploités par les pompages dont la quasi-totalité concerne la nappe profonde. Le reste sort du système par les drains des rivières et des sources. Les percolations par le seuil d’El Haouareb se taillent évidemment la plus grande part dans les sources (Tableau 7.1) alors que plus des deux tiers des sorties s’effectuent par les oueds dont, bien sûr, le Merguellil est le plus important drain
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG)) 136 Chapitre VII : Modélisation des écoulements superficiels et souterrains du bassin du Merguellil (Tableau 7.2).
Figure 7.3 Bilan en eau des systèmes aquifères du bassin du Merguellil en 1970 Tableau 7.2 Drainage de la nappe phréatique par les oueds du bassin du Merguellil Oued Zebbes Ben Zitoune Zeroud Merguellil Débit drainé (l/s) 48 53 112 396 L’infiltration des eaux de l’oued Merguellil, lors de leur passage sur les affleurements oligocènes de Bouhafna, a été estimée à 30 l/s (Figure 7.3). 7-2- Procédure de recherche des séries optimales des paramètres en régime transitoire Plusieurs auteurs (Sorooshian et Gupta, 1983 ; Duan et al., 1992 ; Beven, 1993 ; Freer et al., 1996 ; Beven, 2000) ont montré que la procédure conventionnelle de calage, qui consiste à obtenir une seule série optimale des valeurs des paramètres, admettait quelques limites. Il a été ainsi montré que pour une série de mesures, on peut trouver plusieurs séries de paramètres qui conduisent à une solution acceptable selon l’objectif fixé. L’expérience montre aussi que les régions de l’espace des paramètres correspondant à de bonnes simulations peuvent changer si on considère des données des périodes ou des emplacements différents. C’est pour cette raison que nous avons eu recours à une approche qui consiste à chercher plusieurs séries de paramètres qui satisfont aux critères fixés de calage du modèle. 7-2-1- Paramètres de la fonction de production La fonction de production comporte sept paramètres (Figure 6.2). Les trois premiers paramètres (CRT, DCRT et FN) ont été spatialement distribués avec des valeurs différentes sur les six premières fonctions de production définies plus haut. Pour la septième fonction de production, concernant les aménagements en lacs collinaires, les valeurs des paramètres CRT DCRT et FN ont été fixées conformément aux constatations sur leur fonctionnement : le ruissellement des superficies drainées par ces ouvrages ne participe pas à l’écoulement à
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG)) 137 Chapitre VII : Modélisation des écoulements superficiels et souterrains du bassin du Merguellil l’aval. Ainsi, puisque 50% d’exploitants n’ont pas encore introduit l’irrigation dans leur pratiques culturales et que seulement 22% des paysans pratiquent la petite irrigation (Albergel et al., 2001), la quasi totalité du volume d’eau de ces ouvrages se perd par évapotranspiration qui est très élevée dans ce contexte climatique. Pour cette fonction de production, les valeurs suivantes de ces paramètres (CRT=5000, DCRT=2000 et FN=25), qui font que la totalité des pluies qui tombent sur ses zones se perd par évapotranspiration, ont été définies. Les valeurs des quatre autres paramètres qui définissent la façon dont les quantités infiltrées (QIMAX, CQI) et ruisselées (QRMAX et CQR) s’écoulent ont été préalablement définies à partir d’une étude de sensibilité des paramètres de la fonction de production. Pour QRMAX et CQR, cette étude a permis de sélectionner les valeurs qui respectent la nature rapide des écoulements des régions semi-arides méditerranéennes et pour QIMAX et CQI, les valeurs qui aplatissent l’hydrogramme d’infiltration ont été sélectionnées. Ces quatre paramètres ont donc été considéré comme constants sur l’ensemble du domaine (QRMAX=2, CQR=0.8, QIMAX=10, CQI=0.2). 7-2-1-1- Domaine de variation des paramètres CRT, DCRT et FN Les valeurs des paramètres CRT et DCRT retrouvées dans la littérature varient généralement entre 0 et 150 mm pour les modèles élaborés dans les régions tempérés (Tableau 7.3). Ces valeurs peuvent augmenter et atteindre presque 300 mm dans les régions sahéliennes (Goula Bi Tié, 1993). Comme l’évapotranspiration réelle augmente avec les valeurs de ces paramètres et qu’il est connu que cet élément du cycle de l’eau est très important dans la zone semi-aride étudiée ici, il a été considéré une limite supérieure égale à 500 mm pour être sûr de balayer tout le champ de variation de ces paramètres. Pour le paramètre FN, son domaine de variation est compris entre 0 et 25 mm, valeurs qui cadrent avec ceux qui ont été utilisées dans la littérature (Tableau 7.3). Tableau 7.3 Valeurs des paramètres CRT, DCRT et FN issues de la littérature Références Girard et al. (1981) Goula Bi Tié (1993) Golaz-Cavazzi (1999) Paramètres Bassin de la Haute Lys (France) Bassin du Massilli (Burkina Faso) Bassin du Rhône (France) Min Moyen Max Min Moyen Max Min Moyen Max DCRT (mm) 10 28 100 10 16 20 5 37 50 CRT (mm) 50 80 150 150 240 270 10 81 110 FN (mm) 10 22 30 3 9 16 0 10 20 A chaque simulation l, treize variables uniformes sont générées : (U1kl, U2kl, U3l), k=1,6. U1kl et U2kl sont générées dans [0-500] ; Pour les fonctions de production (k=1,6) CRTkl=U1kl, DCRTkl=U2kl. Toutefois il y a une contrainte à respecter par les tirages (U1kl > U2kl). Si cela n’est pas le cas, U2kl est de nouveau tirée au hasard. U3l est générée dans l’intervalle [1-4] et permet d’avoir la variable indicatrice Il (Il étant une valeur entière de U3l). A chacune des six fonctions de production a été affecté un indice Pk égal au numéro de la fonction de production diminué de l’unité (0-5). Alors, il a été considéré que FNkl= Pk*Il. Ainsi, les valeurs admises de FN sur ces fonctions sont comprises entre 0 et 20 mm.
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG)) 138 Chapitre VII : Modélisation des écoulements superficiels et souterrains du bassin du Merguellil
7-2-1-2- Génération stochastique des paramètres CRT, DCRT et FN Dix milles jeux de paramètres du modèle Modcou ont été ainsi générés (l=1,10000) avec lesquels une reconstitution des débits et des piézométries observés dans la région d’étude a été tentée. La Figure 7.9 montre l’ensemble des valeurs des paramètres CRT et DCRT générées pour les six fonctions de production. La méthodologie utilisée ressemble à l’approche GLUE (Generalised Likelihood Uncertainty Estimation) qui est une méthode basée sur la technique de Monte Carlo et qui permet de combiner les informations de plusieurs séries d’observations par une approche bayésienne en vue d’estimer l’incertitude sur les simulations (Binley et Beven, 1991). 7-2-2- Paramètres du modèle d’écoulement en zone saturée Les transmissivités d’une part, la porosité de drainage et le coefficient d’emmagasinement d’autre part constituent les seuls paramètres de l’écoulement en zone saturée. Les transmissivités ont été estimées à partir des mesures issues des essais de pompage effectués après l’exécution de chaque sondage et des campagnes de pompages effectuées sur les puits de surface. De façon générale, une forte disparité des transmissivités a été constatée entre les différentes zones du bassin et la nappe phréatique a une transmissivité en moyenne dix fois moins importante que celle de la nappe profonde dont les transmissivités varient entre 3.10-2 et 2.10-4 m2/s. La nappe phréatique admet des valeurs de la porosité efficace comprises entre 0.1 et 0.3 alors que les coefficients d’emmagasinement, calculés à partir des essais de pompage de longue durée effectués sur plusieurs sondages de la nappe profonde, admettent des valeurs comprises entre 10-3 et 10-5. Les transmissivités ont été calées en régime de référence par essai erreur dans la section précédente (annexe 3) tandis que les coefficients d’emmagasinement l’ont été dans cette section (annexe 4). 7-2-3- Paramètres de l’échange nappe-rivière Le coefficient TP est le seul paramètre des échanges nappe-rivière. Il est homologue à une transmissivité et reflète l’état de colmatage du lit de la rivière. Sa valeur a été déterminée par calage manuel et est comprise entre 10-3 et 5.10-3 m²/s. Il a été pris égal à 10-3 m²/s pour les mailles rivières de l’oued Zebbes et 5.10-3 m²/s pour les mailles rivières des autres oueds (Ben Zitoune, Merguellil, et Zeroud) en liaison avec la nappe phréatique. Le modèle est très sensible à ce paramètre. En effet, des essais de variation des valeurs de ce paramètre (augmentation ou diminution) ont montré une nette détérioration des performances du modèle à l’état initial. 7-3- Calage monocritère basé sur la reconstitution de l’historique piézométrique
Dans un premier temps, nous avons considéré les simulations qui donnent les meilleures
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG)) 139 Chapitre VII : Modélisation des écoulements superficiels et souterrains du bassin du Merguellil valeurs du critère « Erreur absolue » dans la comparaison des piézométries mesurées et calculées aux piézomètres des différentes nappes. Ce critère représente le cumul de la valeur absolue de l’erreur et est particulièrement adapté pour les données piézométriques. La Figure 7.4 montre que la valeur du critère est inférieur à 3 m dans les zones d’Aïn Baïdha (Figure 7.4a), Cherichira (Figure 7.4d) et Haffouz (Figure 7.4c) et ce pour la quasi-totalité des 10000 jeux de paramètres. Par contre, il atteint des valeurs très importantes (Figure 7.4b et Tableau 7.4) dans la zone de Bouhafna où sa valeur maximum calculée est d’environ 50 m. Le critère numérique « Expo » n’a pas été considéré dans la sélection des simulations parce qu’il a été montré que sa robustesse n’est pas assurée dans la comparaison des variables qui varient peu. En effet, les piézomètres des nappes d’Aïn Baïdha (Figure 7.4a) et de Haffouz (Figure 7.4c) qui n’ont pas enregistré de forts rabattements ont enregistré des valeurs du critère Expo n’excédant pas 0.5, alors que ceux de Bouhafna (Figure 7.4b) et Cherichira (Figure 7.4d) ont des critères proches de 1.
Figure 7.4 Critères de performance piézométrique du modèle calculés pour 10000 simulations Tableau 7.4 Caractéristiques statistiques du critère « Erreur absolue » calculées pour les différentes nappes du bassin du Merguellil Valeurs du critère «erreur absolue» pour les 10000 simulations Nappes Minimum 1er quartile Moyenne Médiane 3ème quartile Maximum Aïn Baïdha 0.76 1.25 1.28 1.31 1.34 4.35 Bouhafna 1.34 3.59 4.50 4.66 5.15 48.47 Cherichira 1.10 1.11 1.16 1.12 1.16 4.50 Haffouz 1.07 2.22 2.29 2.38 2.43 7.34
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG)) 140 Chapitre VII : Modélisation des écoulements superficiels et souterrains du bassin du Merguellil
Figure 7.5 Comparaison des piézométries mensuelles mesurées et calculées (par 46 jeux de paramètres sélectionnés par le calage monocritère basé sur la piézométrie) sur quatre points représentatif des aquifères du bassin du Merguellil
Figure 7.6 Box Plots du pourcentage de piézomètres dont le critère « Erreur absolue » est inférieur à un seuil, et ce pour les 46 meilleures simulations qui reconstituent la piézométrie. Nous avons choisi les simulations dont le critère « Erreur absolue » n’excède pas le premier quartile dans toutes les nappes, c’est ainsi que les valeurs limites de 1.1, 1.25, 1.75 et 2.5 ont été considérées respectivement pour les nappes de Cherichira, Aïn Baïdha, Haffouz et Bouhafna (Tableau 7.4). Ces critères nous ont permis de sélectionner 46 jeux de paramètres dont les résultats sont représentés sur la Figure 7.5. Une bonne reconstitution des niveaux
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG)) 141 Chapitre VII : Modélisation des écoulements superficiels et souterrains du bassin du Merguellil piézométriques observés est obtenue sur l’ensemble des piézomètres, à la fois dans les zones surexploitées telle que Bouhafna (Figure 7.5c) et dans les zones les moins sollicitées telle qu’Aïn Baïdha (Figure 7.5a). Sur le plan local, la Figure 7.6 montre que la quasi-totalité des piézomètres donnent en moyenne une valeur du critère « erreur absolue » inférieure à 4 m tandis que 93% et 66% des piézomètres donnent la valeur de ce critère inférieur respectivement à 3 et à 2 m.
Figure 7.7 Comparaison des débits mensuels mesurés et calculés (par 46 jeux de paramètres sélectionnés sur la base du critère piézométrique) aux stations hydrométriques du bassin versant du Merguellil et pour les périodes 1978-1982 et 1986-1990 Les résultats de ces 46 meilleures simulations, en ce qui concerne les débits des cours d’eau, sont présentés sur la Figure 7.7. Ils concernent la période 1978-1982, qui est comprise dans
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG)) 142 Chapitre VII : Modélisation des écoulements superficiels et souterrains du bassin du Merguellil une séquence considérée comme déficitaire dans l’historique pluviométrique récente, et la période 1986-1990 qui comprend l’année hydrologique (1989/90) la plus pluvieuse des trois dernières décennies en Tunisie centrale (Kingumbi et al., 2001). Tableau 7.5 Débits moyens des cours d’eau (m3/s) et critères « EXPO » pour les 46 simulations sélectionnées Critère Critère EXPO Moyennes (1978-1982) Moyennes (1986-1990) Période 1978-1982 1986-1990 Mesurées Calculées Mesurées Calculées Skhira 0.644 0.088 0.115 0.078 0.093 0.097 Haffouz 0.088 0.409 0.316 0.460 0.487 0.609 Sidi Boujdaria 0.335 - 0.677 0.816 - - Stations El Haouareb - 0.001 - - 1.460 2.864 Ces résultats montrent une bonne reconstitution de la dynamique des débits observés sur toutes les stations du bassin versant du Merguellil en partant de l’amont vers l’aval (Figure 7.7). Les petits évènements sont bien reconstitués tandis que les plus importants, malgré une bonne restitution de leur dynamique, ont toujours les pointes surestimées par le modèle. Ceci se distingue particulièrement pour les crues de Février 1990 qui ont été systématiquement surestimées par le modèle sur toutes les stations hydrométriques (Figures 7.7b, 7.7d et 7.7f) ce qui a pour conséquence directe une faible valeur du critère Expo (Tableau 7.5). Cependant, les valeurs moyennes sur ces périodes sont sensiblement proches sur toutes les stations, en dehors d’El Haouareb dont la moyenne n’a été calculée que sur un nombre très limité de valeurs. La Figure 7.8 montre à quel point les valeurs du critère EXPO calculées sur l’ensemble de la période et aux différentes stations hydrométriques sont médiocres.
Figure 7.8 Box Plot des valeurs du critère « EXPO » calculées aux différentes stations hydrométriques à partir des 46 meilleures simulations de la reconstitution piézométrique. L’analyse des paramètres montre qu’en dehors de la fonction de production « Argiles », les valeurs des paramètres CRT et DCRT des 46 simulations couvrent tout le domaine de
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG)) 143 Chapitre VII : Modélisation des écoulements superficiels et souterrains du bassin du Merguellil variation de ces paramètres (Figure 7.9). En effet, pour cette fonction, les valeurs du paramètre DCRT sont toutes inférieures à 200 mm. En ce qui concerne le paramètre FN, nous constatons que les jeux de paramètres sélectionnés couvrent tout le domaine de variation. Il ne se dégage donc pas une région privilégiée des valeurs des paramètres CRT, DCRT et FN. Les simulations qui reproduisent le mieux possible la piézométrie n’ayant pas abouti à des résultats satisfaisants en ce qui concerne les débits, nous investiguons dans la section suivante, les simulations qui reproduisent le mieux possible les débits et leur incidence sur la piézométrie.
Figure 7.9 Visualisation des valeurs des paramètres des 46 simulations présentant les meilleurs critères « Erreur absolue » sur la piézométrie. 7-4- Calage monocritère avec l’historique hydrométrique
Dans cette partie nous avons essayé de faire une reconstitution monocritère basée sur l’hydrométrie. Nous avons commencé par rechercher des solutions qui donnent le meilleur critère « expo » relatif aux débits observés aux différentes stations hydrométriques du bassin du Merguellil. Ensuite, la recherche des solutions qui donnent un meilleur « critère global » calculé à partir de toutes les données hydrométrique a été considérée. 7-4-1- Reconstitution des débits aux différentes stations hydrométriques Le critère numérique « Expo » calculé pour chacun des dix mille jeux de paramètres générés aléatoirement et pour la reconstitution des données hydrométriques aux différentes stations est compris entre 0 et 0.9. La Figure 7.10 donne la distribution de ce critère à chacune des stations hydrométriques. Elle montre que les valeurs extrêmes du critère expo (inférieures à 0.3 et supérieures à 0.8) ne représentent qu’une portion faible des simulations générées. Plus de 80% de ces simulations ont une valeur du critère comprise entre 0.3 et 0.8. D’autre part, on remarque que les critères calculés avec les données de la station d’El Haouareb sont meilleurs que ceux des autres stations hydrométriques. La distribution de cette station présente toujours
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG)) 144 Chapitre VII : Modélisation des écoulements superficiels et souterrains du bassin du Merguellil une valeur du critère numérique « expo » meilleure pour une même probabilité au non dépassement. Les autres stations ont des distributions qui présentent des allures assez proches (Figure 7.10). A titre d’exemple la fréquence cumulée de 0.8 correspond à une valeur du critère « Expo » égale à 0.63 pour la station d’El Haouareb alors qu’elle est comprise entre 0.46 et 0.52 pour toutes les autres stations hydrométriques. Cette constatation confirme celle observée dans les données hydrométriques qui montrait que les apports issus du bilan du barrage d’El Haouareb présentaient un meilleur synchronisme avec les données pluviométriques que ceux des autres stations hydrométriques.
Figure 7.10 Distribution des valeurs du critère « Expo » calculées au niveau des stations hydrométriques et pour les dix mille jeux de paramètres générés. Partant du nombre de simulations obtenu dans la reconstitution des données piézométriques, nous avons considéré, dans ce qui suit, le même nombre (environ 50) de jeux de paramètres qui donnent une meilleure reconstitution des données hydrométriques à chacune des stations. 7-4-1-1- Station hydrométrique de Skhira Les 50 jeux de paramètres qui donnent les meilleurs critères EXPO à la station de Skhira ont été sélectionnés. Ils donnent des critères dont les valeurs sont comprises entre 0.70 et 0.73 (Figure 7.11a). Ces jeux de paramètres donnent des valeurs relativement bonnes du critère EXPO aux stations d’El Haouareb, Haffouz et Sidi Boujdaria. En effet la moyenne de ce critère est supérieure à 0.6 à toutes ces stations et même dépasse 0.7 à El Haouareb. Par contre à la station de Zebbes, les critères calculés pour ces 50 simulations sont tous médiocres. En effet les valeurs de ces critères varient entre 0 et 0.3.
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG)) 145 Chapitre VII : Modélisation des écoulements superficiels et souterrains du bassin du Merguellil
7-4-1-2- Station hydrométrique de Haffouz Les 50 meilleurs jeux de paramètres à la station de Haffouz donnent les valeurs du critère EXPO comprises entre 0.63 et 0.65 (Figure 7.11c). Ces simulations donnent les valeurs de ce critère meilleures aux stations d’El Haouareb et de Skhira avec les moyennes qui sont respectivement de 0.8 et 0.7. Inversement, aux stations de Sidi Boujdaria et Zebbes, les valeurs de ce critère calculées pour ces jeux de paramètres sont inférieures. Leur moyenne est comprise entre 0.5 et 0.6 pour la station de Sidi Boujdaria et inférieure à 0.5 pour la station de Zebbes. On peut aussi remarquer que, contrairement aux autres stations hydrométriques, à Zebbes les valeurs du critère EXPO calculées à partir de ces simulations sont meilleures malgré leur plus grande dispersion. En effet les valeurs du premier et troisième quartile de ce critère sont égales respectivement à 0.2 et 0.6.
Figure 7.11 Box Plot des valeurs du critère de performance EXPO calculées pour les 50 meilleurs jeux de paramètres sélectionnés aux différentes stations hydrométriques et comparaison avec les critères correspondant aux autres stations : (a) Skhira, (b) Zebbes, (c) Haffouz et (d) Sidi Boujdaria. 7-4-1-3- Station hydrométrique de Zebbes Les 50 meilleures simulations à Zebbes donnent les valeurs du critère EXPO proches de 0.8 (Figure 7.11b). La validation sur d’autres stations hydrométriques donne des valeurs inférieures : une moyenne de 0.75 à El Haouareb, une moyenne d’environ 0.6 à Haffouz et Skhira, et une moyenne inférieure à 0.5 à Sidi Boujdaria. 7-4-1-4- Station hydrométrique de Sidi Boujdaria Les 50 simulations sélectionnées à la station de Sidi Boujdaria donnent les valeurs du critère EXPO comprises dans l’intervalle [0.69-0.71] (Figure 7.11d). Leur validation sur d’autres
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG)) 146 Chapitre VII : Modélisation des écoulements superficiels et souterrains du bassin du Merguellil stations hydrométriques donne des valeurs médiocres. En effet, la moyenne des valeurs calculées pour ce critère est partout inférieure à 0.5. D’autre part, en validation sur d’autres stations, les critères calculés sont très dispersés entre 0 et 0.7. 7-4-1-5- Station d’El Haouareb Les simulations sélectionnées au barrage d’El Haouareb ont toutes le critère EXPO supérieur à 0.8 (Figure 7.12). En validation sur d’autres stations, les critères calculés sont tous inférieurs. Ils sont en moyenne supérieurs à 0.6 aux stations de Haffouz, Skhira et Zebbes. Alors qu’à la station de Sidi Boujdaria la moyenne des ces critères est inférieur à 0.5. Comme les simulations sélectionnées à la station hydrométrique de Haffouz, celles d’El Haouareb présentent des valeurs du critère EXPO meilleures mais dispersées en validation sur la station de Zebbes. En effet sur cette station la différence entre les valeurs du critère EXPO calculées entre le premier et le troisième quartile est de 0.3.
Figure 7.12 Box Plot des valeurs du critère de performance EXPO calculées pour les 50 meilleurs jeux de paramètres sélectionnés à El Haouareb et comparaison avec les critères correspondant aux autres stations hydrométriques. 7-4-1-6- Conclusion On peut conclure que globalement les simulations sélectionnées en calage monocritère et mono site pour toutes les stations hydrométriques aboutissent à des résultats satisfaisants. Deux choix sont alors possibles dans la prise de décision en ce qui concerne quelles simulations considérées dans la reconstitution des données hydrométriques : on peut prendre soit une station de référence soit faire de la pondération entre les stations. Vu que les stations de Zebbes et Sidi Boujdaria sont sujettes à beaucoup d’incertitudes, si on devait choisir une station de référence, elle devrait être l’une des trois : Skhira, El Haouareb ou Haffouz. Les résultats produits par Haffouz et Skhira se recoupent, en effet les critères produits à ces
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG)) 147 Chapitre VII : Modélisation des écoulements superficiels et souterrains du bassin du Merguellil stations sont relativement les mêmes dans l’un ou l’autre calage. Cependant, les simulations sélectionnées pour Haffouz seraient meilleures parce qu’elles sauvegardent Zebbes par rapport à ceux de Skhira même si elles produisent un critère légèrement inférieur par rapport à Sidi Boujdaria. El Haouareb se comporte comme Haffouz en produisant des critères encore meilleur à Zebbes et en diminuant les performances de Sidi Boujdaria. Etant donné cette complexité, nous avons fait le choix de faire une pondération des stations, dans la section suivante, en utilisant le critère global présenté par l’équation 1.4. Cependant les bons résultats obtenus en validation sur les stations présentant les plus longs historiques (Haffouz et Skhira) et à l’exutoire du bassin du Merguellil (El Haouareb) montrent une plausible applicabilité de la méthodologie développée pour la reconstitution des débits en bassins non jaugés de la Tunisie centrale. 7-4-2- Reconstitution globale des données hydrométriques Partant du fait que chaque calage en mono site aboutit à un ensemble de jeux de paramètres différents, nous nous proposons de pondérer ces stations en utilisant un « critère global » (éq. 1.4) pour reconstituer les données hydrométriques mesurées à toutes les stations : calage multisite. Pour cela les pondérations (Wj) ont été estimées en fonction de la durée des observations à chaque station hydrométrique (Tableau 7.6). Ces pondérations cadrent d’ailleurs avec les résultats du paragraphe précédent, puisqu’elles accordent plus de poids aux stations de Haffouz et Skhira qui ont affiché une certaine stabilité dans leurs calages monocritères. Tableau 7.6 Coefficients (Wj) affectés aux différentes stations hydrométriques pour calculer le « critère global » en monocritère et en multisite. Station Bassin (km²) Période observée Nombre d’années Poids (Wj) Skhira 193 1974-1998 24 0.320 Haffouz 663 1970-1998 28 0.374 Zebbes 181 Bassin 1 1996-1998 2 0.026 Sidi Boujdaria 897 1974-1986 12 0.160 El Haouareb 1192 1989-1998 9 0.120 Cherichira 54 Bassin 2 - 0 0.000 Zeroud 79 Bassin 3 - 0 0.000 Total 1325 1970-1998 75 1.000 Les 50 simulations sélectionnées à partir des meilleures valeurs de ce critère donnent des performances résumées dans la Figure 7.13. Tous ces jeux de paramètres ont un « critère global » égal à 0.66 (Figure 7.13). Ils donnent des valeurs assez importantes du critère EXPO dont la moyenne est proche de 0.8 à El Haouareb et supérieure à 0.6 aux autres principales stations hydrométriques de ce bassin (Skhira, Haffouz et Sidi Boujdaria). Ces simulations donnent cependant des valeurs relativement faibles à la station de Zebbes. On aurait peut-être pu améliorer les performances à Zebbes en accordant plus de poids à El Haouareb dont le calage monocritère (Figure 7.12) a donné des performances assez intéressantes à Zebbes. Cependant, la durée très courte des observations à cette station, deux années seulement, pousse à y relativiser les performances du modèle par rapport aux autres stations.
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG)) 148 Chapitre VII : Modélisation des écoulements superficiels et souterrains du bassin du Merguellil La reconstitution des données piézométriques avec ces simulations donne des résultats moins bons (Figure 7.14) que dans le cas de la reconstitution piézométrique (Figure 7.6). En effet nous constatons qu’environ 10% des stations piézométriques enregistrent les valeurs du critère « Erreur absolue » supérieures à 5 m.
Figure 7.13 Box Plot des valeurs du « critère global » calculées pour les 50 meilleurs jeux de paramètres sélectionnés pour les données hydrométriques, comparaison avec le critère EXPO correspondant aux différentes stations hydrométriques.
Figure 7.14 Box Plots du pourcentage de piézomètres dont le critère « Erreur absolue » est inférieur à un certain seuil, et ce pour les 50 meilleures simulations reconstituant les débits.
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG)) 149 Chapitre VII : Modélisation des écoulements superficiels et souterrains du bassin du Merguellil Par ailleurs, nous constatons en moyenne une diminution, par rapport au calage monocritère basé sur la piézométrie, du pourcentage de piézomètres dont le critère « Erreur absolue » est inférieur au seuil de 1, 1.5, 2, 3 et 4 m de respectivement 9%, 8%, 4%, 8% et 8% (Figure 7.6 et Figure 7.14). Cependant il faut remarquer que cette perte relativement faible dans les rabattements s’accompagne par un grain très important relatif à la reconstitution des débits (Figure 8.8 et Figure 7.13). 7-5- Reconstitution multicritère des historiques hydrométrique et piézométrique
7-5-1- Sélection des simulations optimales Partant du fait que la reconstitution monocritère basée sur les données piézométriques aboutit aux critères médiocres par rapport aux données hydrométriques, et que, malgré une certaine amélioration, le calage monocritère basé sur les données hydrométriques aboutit quand même à des résultas moins bons en ce qui concerne la piézométrie, une tentative de reconstitution multicritère et en multisite a été effectuée. Le calcul d’un critère global (éq. 1.4) d’évaluation des performations du modèle a été proposé avec l’aide de toutes les données : piézométriques et hydrométriques. Les coefficients Wj ont été affectés à chaque station j de telle sorte qu’un poids équitable entre les mesures hydrométriques et piézométriques soit assuré. En ce qui concerne les données hydrométriques, comme dans le calage monocritère basé sur les données hydrométriques, le poids de chaque station a été défini en se basant sur le nombre d’années d’observations.
Figure 7.15 Distribution des valeurs du « critère global » calculées pour 10000 simulations en utilisant : (a) toutes les données, (b) les débits, et (c) les piézométries. Pour les données piézométriques, les coefficients ont été attribués à chaque station en se
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG)) 150 Chapitre VII : Modélisation des écoulements superficiels et souterrains du bassin du Merguellil basant sur l’exploitation de chaque nappe. Les coefficients ainsi alloués sont présentés dans le Tableau 7.7. Ainsi les piézomètres de la nappe de Bouhafna dont l’exploitation est de loin la plus importante obtiennent les plus grands poids alors que le petit poids est affecté à la petite nappe d’El Ala dont l’extension et les prélèvements sont plus limités. Nous avons appliqué le critère global ainsi défini en utilisant les débits et piézométries calculés par les 10000 jeux de paramètres générés aléatoirement. Nous avons obtenu un critère global n’excédant pas la valeur de 0.70 (Figure 7.15a). Les données piézométriques utilisées seules (Figure 7.15c) conduisent à un critère global environ 20% supérieur à celui calculé par les données hydrométriques uniquement (Figure 7.15b). A titre d’exemple, la médiane de ce critère correspondant aux données hydrométriques est de 0.39 alors que celle des données piézométriques est d’environ 0.59. Les 50 meilleurs jeux de paramètres en multi objectif donnant un critère global supérieur où égal à 0.65, nous avons considéré toutes les simulations qui respectent ce seuil, ce qui a donné 69 simulations. Les Figures 7.16 et 7.17 représentent les résultats de ces jeux de paramètres respectivement pour l’hydrométrie et la piézométrie.
Figure 7.16 Box Plot des valeurs du « critère EXPO » aux différentes stations hydrométriques calculées pour les 69 meilleures simulations du calage multicritère. En ce qui concerne les débits (Figure 7.16), nous aboutissons aux résultats assez proches de ceux qui avaient été obtenus par le calage monocritère hydrométrique en multisite (Figure 7.13), avec cependant une légère baisse de la valeur du critère « Expo » observable à toutes les stations. Cette baisse est en moyenne de 0.02 à El Haouareb, Sidi Boujdaria et Haffouz, et de 0.03 à Skhira. A Zebbes on enregistre en moyenne une hausse de 0.04 dont la portée n’est que symbolique étant donné la faiblesse et la variabilité du critère EXPO à cette station. Ce résultat est aussi proche de ceux obtenus en calage monocritère et mono site au niveau des
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG)) 151 Chapitre VII : Modélisation des écoulements superficiels et souterrains du bassin du Merguellil stations de Haffouz (Figure 7.11c) et El Haouareb (Figure 7.12). Par rapport au calage monocritère basé sur les débits de la station de Haffouz, le calage multicritère donne des performances légèrement inférieures au niveau des stations de Skhira, Haffouz Zebbes et El Haouareb (Figure 7.16 et Figure 7.11c). Cependant, ces critères sont relativement meilleurs à la station hydrométrique de Sidi Boujdaria. On aboutit aux mêmes conclusions par rapport au calage monocritère basé sur les données hydrométriques d’El Haouareb, mis à part le fait que le calage multicritère améliore légèrement les performances à la station hydrométrique de Skhira (Figure 7.16 et Figure 7.12). Tableau 7.7 Coefficients (Wi) affectés aux différentes stations piézométriques pour le calcul du critère global de performance Nappe Exploitation (1970-1998) Station Coefficient (Wi) Bir Aïn Majouna 0.006 Bir Belgacem Ben Ali 0.006 Bir Bellouma 0.006 Bir Bou Alleg 0.006 Bir Choubet El Aried 0.006 Bir Djellel 0.006 AIN BAIDHA 85 millions de m3 Bir Snoussi 0.006 Bir Triaa Ben Fredj 0.006 Piézomètre Chouicha 0.006 Piézomètre Idmen El Hassi 0.006 Piézomètre Merguellil 0.006 Piézomètre Sidi Ali Cheib 0.006 Piézomètre KT2 0.050 Piézomètre KT4 0.050 Piézomètre KT5 0.050 BOUHFANA 344 millions de m3 Piézomètre PC2 0.050 Piézomètre PL2 0.050 Piézomètre PL1 0.050 CHERICHIRA 57 millions de m3 Piézomètre Cherichira 3 0.051 EL ALA 4 millions de m3 Bir Pépinière El Ala 0.005 Bir El Adhine 0.012 Bir Hir El Assel 0.012 Bir Ouled Bourguiba 0.012 HAFFOUZ 88 millions de m3 Bir Pépinière Haffouz 2 0.012 Piézomètre Argoub Hajel 0.012 Piézomètre Haffouz cassis 0.012 Total 578 millions de m3 Total 0.500 En ce qui concerne la piézométrie, nous obtenons des résultas intermédiaires entre ceux qui ont été obtenus par les méthodes monocritères piézométrique (Figure 7.6) et hydrométrique (Figure 7.14). Par rapport à la seconde méthode, nous enregistrons en moyenne un gain compris entre 1% et 5% du pourcentage de piézomètres dont la valeur du critère « Erreur absolue » est inférieure à certains seuils (Figure 7.17 et Figure 7.14).
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG)) 152 Chapitre VII : Modélisation des écoulements superficiels et souterrains du bassin du Merguellil Tableau 7.8 Pourcentage de gain, du « critère global » calculé sur les débits et apporté par la sélection de 16 au lieu de 69 jeux de paramètres Pourcentage de gain (%) Variable Haouareb Boujdaria Haffouz Zebbes Skhira Moyenne Calculée 3 -8 0 50 0 Médiane calculée 1 -3 -2 5 0
Figure 7.17 Box Plots du pourcentage de piézomètres dont le critère « Erreur absolue » est inférieur à un seuil, et ce pour les 69 meilleures simulations de la reconstitution multicritère.
Figure 7.18 Distributions empiriques des débits calculés par les 69 (a) et 16 (b) meilleurs jeux de paramètres sélectionnés à partir du calage multicritère. En considérant les simulations dont le critère global est strictement supérieur à 0.65 nous avons obtenu seulement 16 jeux de paramètres. La comparaison des résultats obtenus par ces deux ensembles de jeux de paramètres montre qu’en ce qui concerne les débits nous aboutissons à une légère amélioration des critères calculés (Tableau 7.8). D’autre part, pour les débits nous constatons que les 16 jeux de paramètres reconstituent toute la variabilité des 69 jeux de paramètres initialement sélectionnés. En effet, nous aboutissons aux mêmes
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG)) 153 Chapitre VII : Modélisation des écoulements superficiels et souterrains du bassin du Merguellil distributions empiriques des débits simulés à l’exutoire du bassin du Merguellil avec les 16 et 69 meilleurs jeux de paramètres sélectionnés pour un calage multicritère (Figure 7.18). Tableau 7.9 Pourcentage de gain, apporté par la sélection de 16 au lieu de 69 simulations, de piézomètres où le critère « Erreur absolue » est inférieur à un certain seuil, Pourcentage de piézomètres où le critère « Erreur absolue » est inférieur au seuil spécifié Variable < 0.5 m < 1 m < 1.5 m < 2 m < 3 m < 4 m < 5 m Moyenne 0 19 4 8 11 4 0 Médiane 0 0 4 0 3 4 0 En ce qui concerne la piézométrie, nous constatons qu’en utilisant 16 simulations nous obtenons un gain substantiel par rapport à l’utilisation de 69 jeux de paramètres. Ce gain est obtenu par comparaison des pourcentages de piézomètres où le critère « Erreur absolue » (calculé entre les données observées d’une part et d’autre part la moyenne et la médiane calculées par les 16 et 69 simulations) est inférieur à un certain seuil (Tableau 7.9). Ce gain est plus conséquent pour les valeurs moyennes calculées (entre 0 et 19%) que pour les valeurs médianes (entre 0 et 4%). Tableau 7.10 Valeurs numériques du « Critère global » calculées à partir des 16 jeux de paramètres sélectionnés et pour les différentes données mesurées. N° du jeu de Critère numérique « Critère global » paramètre Global Nappes Haouareb Boujdaria Haffouz Zebbes Skhira 353 0.66 0.74 0.76 0.46 0.58 0.56 0.58 417 0.67 0.68 0.78 0.59 0.63 0.21 0.71 788 0.67 0.70 0.68 0.68 0.59 0.03 0.70 1040 0.69 0.72 0.79 0.55 0.63 0.60 0.68 5316 0.66 0.72 0.71 0.56 0.57 0.39 0.66 5317 0.66 0.72 0.71 0.56 0.57 0.39 0.66 5318 0.66 0.72 0.71 0.56 0.57 0.39 0.66 6324 0.69 0.73 0.78 0.58 0.62 0.24 0.70 6325 0.69 0.73 0.78 0.58 0.62 0.24 0.70 6326 0.69 0.73 0.78 0.58 0.62 0.24 0.70 7210 0.67 0.72 0.76 0.57 0.60 0.02 0.64 7211 0.67 0.72 0.76 0.57 0.60 0.02 0.64 7850 0.66 0.69 0.74 0.58 0.60 0.18 0.70 7851 0.66 0.69 0.74 0.58 0.60 0.18 0.70 8105 0.66 0.71 0.79 0.45 0.61 0.66 0.61 8106 0.66 0.71 0.79 0.45 0.61 0.66 0.61 Moyenne 0.67 0.71 0.75 0.52 0.60 0.31 0.67 Vu que les reconstitutions des 16 sont meilleures que celles des 69 simulations, et que leurs distributions empiriques sont relativement semblables, nous avons décidé de ne retenir que les 16 meilleurs jeux de paramètres, dont le « critère global » dépasse le seuil de 0.65 dans l’ensemble de 10000 jeux de paramètres générés. Ces jeux de paramètres sont compris dans les Tableaux 7.10 et 7.11 et les comparaisons de la piézométrie et des débits mesurés et calculés par le modèle sont comprises dans les Annexes 5 et 6. Le Tableau 7.10 montre les critères numériques obtenus dans la reconstitution des débits et
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG)) 154 Chapitre VII : Modélisation des écoulements superficiels et souterrains du bassin du Merguellil données piézométriques. Pour les données hydrométriques, on obtient les meilleures valeurs à El Haouareb avec une moyenne de 0.75 alors que les faibles valeurs se dégagent à Zebbes avec une moyenne des critères d’environ 0.31. Les données piézométriques donnent une moyenne des critères numériques de l’ordre de 0.71. En dehors d’El Haouareb, cette valeur est supérieure à toutes les moyennes calculées aux autres stations hydrométriques. Le Tableau 7.11 montre qu’en moyenne 65% des piézomètres ont le critère « Erreur absolue » inférieur à 2 m et que pour 96% de ceux-ci ce critère est inférieur à 4 m. Les jeux de paramètres sélectionnés montrent deux comportements différents. En effet deux simulations (7210 et 7211) s’écartent de l’allure générale à la fois en ce qui concerne les débits et la piézométrie. Pour l’hydrométrie, on constate que ces deux simulations présentent des débits plus forts à fréquence égale sur la Figure 7.18 qui expose les distributions empiriques des débits calculés par le modèle. Par ailleurs, ces simulations montrent des critères numériques médiocres dans la reconstitution des données hydrométriques de Zebbes (Tableau 7.10). Pour la piézométrie, la spécificité de ces deux simulations s’observe sur les pourcentages relativement bas de piézomètres ayant le critère « erreur absolue » inférieur aux seuils spécifiés (Tableau 7.11). Le pourcentage de ces jeux de paramètres enregistre une baisse allant de 7 à 27% par rapport à la moyenne de toutes les autres simulations. Tableau 7.11 Pourcentages de piézomètres où le critère « Erreur absolue » calculé à partir des 16 jeux de paramètres sélectionnés est supérieur à un certain seuil N° du jeu de Pourcentage de piézomètres où le critère numérique « Erreur absolue » est inférieur à un seuil spécifié paramètre < 0.5 m (%) < 1 m (%) < 1.5 m (%) < 2 m (%) < 3 m (%) < 4 m (%) < 5 m (%) 353 12 31 46 58 85 96 96 417 15 27 46 69 85 96 100 788 19 31 50 65 88 100 100 1040 12 27 42 69 88 100 100 5316 12 31 46 69 88 100 100 5317 12 31 46 69 88 100 100 5318 12 31 46 69 88 100 100 6324 12 31 50 69 88 100 100 6325 12 31 50 69 88 100 100 6326 12 31 50 69 88 100 100 7210 4 23 42 42 62 69 73 7211 4 23 42 42 62 69 73 7850 19 35 54 73 88 100 100 7851 19 35 54 73 88 100 100 8105 19 35 58 65 88 100 10 8106 19 35 58 65 88 100 100 Moyenne 13 30 49 65 85 96 96 Eu égard ce qui précède, il serait judicieux de ne pas considérer dans la suite ces deux simulations. Mais les résultats fournis par ces simulations représentent un scénario de fonctionnement plausible du bassin du Merguellil. Ce n’est pas parce qu’elles s’écartent des distributions empiriques des débits des autres simulations qu’elles produisent pour autant des
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG)) 155 Chapitre VII : Modélisation des écoulements superficiels et souterrains du bassin du Merguellil débits erronés. D’ailleurs les critères numériques qu’elles fournissent sont supérieurs à la moyenne pour les données hydrométriques des stations de Haffouz, Sidi Boujdaria et El Haouareb (Tableau 7.10). Malgré de grandes fluctuations du niveau piézométrique qu’elle induisent dans certaines zones du bassin notamment dans les régions d’Aïn Baïdha et de El Ala (Annexe 6), les critères numériques fournis par ces deux simulations sont supérieurs à la moyenne pour l’ensemble des données piézométriques (Tableau 7.10). Nous avons donc décidé de garder les simulations 7210 et 7211 dans la suite de cette étude. La moyenne du critère global de ces 16 jeux de paramètres est de 0.67, les stations piézométriques enregistrent les meilleurs performances avec une moyenne de 0.71 alors que les débits ont une moyenne 0.61. La station d’El Haouareb a enregistré les meilleures performances avec un critère moyen de 0.75. Les stations de Haffouz, Sidi Boujdaria et Skhira obtiennent des performances moyennes avec des valeurs moyennes qui dépassent 0.50 alors que la station de Zebbes a enregistré des critères médiocres (Tableau 7.10). Les performances des jeux de paramètres choisis par rapport aux données piézométriques sont données dans le Tableau 7.11. Ce tableau montre qu’en moyenne 30% des piézomètres donnent le critère « Erreur absolue » inférieur à 1 m, 65% donnent ce critère inférieur à 2 m et que la quasi totalité des jeux de paramètres donnent ce critère inférieur à 5 m. Ceci atteste que les jeux de paramètres choisis reconstituent de façon honorable les piézométries observées. Tableau 7.12 Comparaison des critères calculés à partir de la médiane et de la moyenne des débits calculés par les 16 jeux de paramètres sélectionnés Critère numérique « Critère global » Variable Haouareb Boujdaria Haffouz Zebbes Skhira Moyenne Calculée 0.81 0.58 0.64 0.42 0.70 Médiane calculée 0.79 0.58 0.62 0.23 0.70 Tableau 7.13 Comparaison des critères calculés à partir de la médiane et de la moyenne des piézométries calculées par les 16 jeux de paramètres sélectionnés Pourcentage de piézomètres où le critère numérique « Erreur absolue » est inférieur au seuil spécifié Variable < 0.5 m < 1 m < 1.5 m < 2 m < 3 m < 4 m < 5 m Moyenne 15% 50% 62% 77% 96% 100% 100% Médiane 15% 31% 46% 69% 88% 100% 100% Nous avons dans la suite considéré la moyenne et la médiane des débits et des piézométries calculés par les 16 jeux de paramètres choisis que nous avons comparés avec les mesures. Ces comparaisons sont résumées dans le Tableau 7.12 pour les débits et le Tableau 7.13 pour la piézométrie. D’une façon générale nous trouvons que les critères numériques calculés pour la moyenne et la médiane des simulations sont meilleurs que la moyenne des critères des différents jeux de paramètre. D’autre part, nous remarquons aussi que la moyenne donne des résultats légèrement meilleurs que la médiane (Tableaux 7.12 et 7.13), ainsi nous allons utiliser dans la suite la moyenne des valeurs simulées par les 16 jeux de paramètres sélectionnés pour l’exploitation des résultats de ce modèle.
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG)) 156 Chapitre VII : Modélisation des écoulements superficiels et souterrains du bassin du Merguellil
7-5-2- Reconstitution des valeurs mesurées La Figure 7.19 montre que les débits calculés par ces 16 jeux de paramètres restituent bien les pics des débits observés et ce aux différentes stations. Les pics hydrométriques sont ainsi mieux reconstitués que dans le cas où seul le critère piézométrique a été considéré dans la sélection des jeux de paramètres optimums (Figure 7.7). Nous remarquons cependant que pour les faibles débits le calage monocritère basé sur la piézométrie (Figure 7.7) semble donner les meilleures performances que le calage multicritère (Figure 7.19).
Figure 7.19 Comparaison, sur les périodes 1978-1982 et 1986-1990, des débits mensuels (aux différentes stations) mesurés et calculés par les 16 jeux de paramètres sélectionnés.
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG)) 157 Chapitre VII : Modélisation des écoulements superficiels et souterrains du bassin du Merguellil En ce qui concerne la reconstitution des données piézométriques, nous constatons que les 16 jeux de paramètres du calage multicritère (Figure 7.20) aboutissent à des résultats aussi bons que dans le cas d’un calage monocritère basé seulement sur la piézométrie (Figure 7.5). Il est cependant nécessaire de remarquer que le calage multicritère aboutit à une dispersion plus importante des valeurs simulées par le modèle que dans le cas du calage monocritère. A titre d’exemple, le piézomètre Triaa Ben Fredj (Figure 7.20a) situé dans la zone d’Aïn Baïdha montre que, malgré une moyenne des 16 simulations très proche des mesures, deux simulations (7210 et 7211) aboutissent à des valeurs piézométriques qui se dégagent du reste des simulations.
Figure 7.20 Comparaison des piézométries mensuelles mesurées et calculées par les 16 jeux de paramètres sélectionnés sur quatre points représentatif des aquifères du Merguellil 6-5-3- Distribution des paramètres du modèle La distribution du critère global dans le plan des paramètres est donnée, pour les dix mille simulations, en Figures 7.21, 7.22 et 7.23. Les deux premières représentent le paramètre FN et respectivement les paramètres CRT et DCRT, tandis que la dernière donne la représentation dans le plan CRT et DCRT. La Figure 7.21 montre que, pour les fonctions de production affleurements (Figure 7.21d) et banquettes (Figure 7.21e), les meilleures simulations ont des valeurs de CRT réparties sur tout l’intervalle de variation (entre 0 et 500 mm). Pour les fonctions forêts (Figure 7.21a) et argiles (Figure 7.21b) les meilleures solutions ont des valeurs de CRT situées respectivement au delà
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG)) 158 Chapitre VII : Modélisation des écoulements superficiels et souterrains du bassin du Merguellil du seuil de 250 et 100 mm. Pour ce qui concerne la fonction sables, les meilleures solutions donnent des CRT situés aux extrémités de l’intervalle de variation (valeurs < 50 mm et valeurs > 400 mm). En ce qui concerne le paramètre FN, nous remarquons que, pour les différentes fonctions de production, les meilleures solutions couvrent l’ensemble du champ de variation. La représentation dans le plan FN et DCRT conduit aux mêmes conclusions que précédemment en ce qui concerne le paramètre FN (Figure 7.22). Pour DCRT il semble que les meilleures solutions se repartissent sur l’ensemble de l’intervalle de variation et ce pour la quasi-totalité des fonctions de production. On peut cependant signaler que pour les fonctions de production « forêts » (Figure 7.21a) et « argiles » (Figure 7.21b), les meilleures correspondent à des valeurs de DCRT inférieures à 50 mm. Ceci est mis en exergue dans la représentation du critère global dans le plan des paramètres CRT et DCRT (Figure 7.23). En effet sur ces deux fonctions (Figure 7.22b, Figure 7.22c) ainsi que sur la fonction « croûtes » (Figure 7.22a) on constate que les valeurs du critère global sont meilleures dans une région particulière correspondant aux valeurs du paramètre DCRT inférieures à 100 mm. Cette valeur correspond au seuil maximal de DCRT rencontré dans la littérature (Figure 7.24) pour les bassins situées en zone tempérée (bassins du Rhône (Golaz-Cavazzi, 1999) et de la Haute Lys (Girard et al., 1981) en France) et pour un bassin situé dans la zone sahélienne africaine (bassin du Massili au Burkina Faso (Goula Bi Tie, 1993)).
Figure 7.21 Représentation du critère global dans le plan des paramètres FN et CRT par fonction de production : (a) fonction « forêts », (b) fonction « argiles », (c) fonction « sables », (d) fonction « affleurements » et (e) fonction « banquettes ».
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG)) 159 Chapitre VII : Modélisation des écoulements superficiels et souterrains du bassin du Merguellil
Figure 7.22 Représentation du critère global dans le plan des paramètres FN et DCRT par fonction de production : (a) fonction « forêts », (b) fonction « argiles », (c) fonction « sables », (d) fonction « affleurements » et (e) fonction « banquettes ».
Figure 7.23 Représentation du critère global dans le plan des paramètres CRT et DCRT par fonction de production : (a) fonction « croûtes », (b) fonction « forêts », (c) fonction « argiles », (d) fonction « sables », (e) fonction « affleurements » et (f) fonction « banquettes ».
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG)) 160 Chapitre VII : Modélisation des écoulements superficiels et souterrains du bassin du Merguellil Pour les autres fonctions de production (Figures 7.23d, 7.23e, 7.23f) on ne remarque aucune région privilégiée dans le champ de variation de ce paramètre. Pour ces fonctions on aboutit aux mêmes constatations pour le paramètre CRT alors que ce dernier affiche les meilleures valeurs du critère global dans l’intervalle [200-500] pour les fonctions « croûtes » (Figure 7.23a) et « forêts » (Figure 7.23b) et l’intervalle [100-300] pour la fonction de production « argiles » (Figure 7.23c). Ces valeurs cadrent bien avec celles obtenues dans le cas de la région sahélienne qui sont comprises entre 150 et 270 mm. Elles diffèrent par contre de celles obtenues dans la zone tempérée dont les valeurs du paramètre CRT sont inférieures à 100 mm (Figure 7.24). Ceci peut s’expliquer par le fait que dans notre zone d’étude et dans la région sahélienne l’évapotranspiration, qui augmente avec le paramètre CRT, est de loin plus importante que dans les régions tempérées. Ces constatations issues de la littérature sur les intervalles de variation des paramètres CRT et DCRT ne cadrent pas cependant avec les valeurs des simulations sélectionnées dans cette étude. En effet, comme on peut le constater sur la Figure 7.24, les simulations qui donnent le meilleur critère global ont des valeurs de ces paramètres qui débordent largement les intervalles des valeurs issues de la littérature. Ceci peut avoir pour origine la différence entre les processus mis en jeu dans la production d’écoulements entre la zone d’étude et les zones étudiées dans la littérature, la considération d’une solution unique dans les calages de la littérature et les éventuelles interactions entre les différentes fonctions de production considérées dans cette étude.
Figure 7.24 Comparaison des valeurs des paramètres CRT et DCRT issues de la littérature et celles issues des 16 et 69 meilleures solutions sélectionnées d’après le calage multicritère. Pour chaque fonction de production, tous les jeux de paramètres générés de façon aléatoire et ceux qui présentent un meilleur critère global sont représentés sur la Figure 7.25. Elle montre que la fonction de production « croûtes » a des valeurs du CRT regroupées autour de 400 mm
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG)) 161 Chapitre VII : Modélisation des écoulements superficiels et souterrains du bassin du Merguellil alors que celles du DCRT sont répandues sur tout le champ de variation de ce paramètre (Figure 7.25a). Ceci indique que cette fonction de production favorise l’évapotranspiration au détriment du ruissellement et de l’infiltration. Ce comportement s’observe aussi au niveau des fonctions de production « forêts » (Figure 7.25b) et « banquettes » (Figure 7.25f). Les fonctions de production « argiles » (Figure 7.25c) et « sables » (Figure 7.25d) se retrouvent avec des valeurs des paramètres CRT et DCRT dispersées sur l’ensemble du domaine de leur variation. La fonction de production « affleurements» (Figure 7.25e) est la seule qui comporte un nuage des jeux de paramètres sélectionnés regroupé dans une même zone. Les valeurs des paramètres CRT et DCRT de cette fonction sont en général inférieures à 100 mm, ce qui fait que cette fonction favorise plus la production des écoulements (ruissellement et infiltration) que l’évapotranspiration par rapport aux autres fonctions de production.
Figure 7.25 Valeurs des paramètres CRT et DCRT générées aléatoirement et localisations de celles des jeux de paramètres présentant un meilleur critère global pour chaque fonction de production : (a) fonction « croûtes », (b) fonction « forêts », (c) fonction « argiles », (d) fonction « sables », (e) fonction « affleurements » et (f) fonction « banquettes ». 7-5-4- Analyse des résidus L’analyse des résidus fait partie des étapes de contrôle d’un modèle hydrologique. Nous l’avons effectuée pour les données hydrométriques et piézométriques au pas de temps mensuel. La représentation des débits mesurés à toutes les stations du bassin du Merguellil en fonction des débits calculés est effectuée à la Figure 7.26. Cette dernière montre que le nuage des points se retrouve autour de la première bissectrice.
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG)) 162 Chapitre VII : Modélisation des écoulements superficiels et souterrains du bassin du Merguellil
Figure 7.26 Débits mesurés en fonction des débits calculés à toutes les stations hydrométriques du bassin du Merguellil
Figure 7.27 Rabattements mesurés en fonction des rabattements calculés à toutes les stations piézométriques du bassin du Merguellil Elle montre ainsi qu’il ne se dessine pas généralement une tendance à la surévaluation ou à la sous-estimation des débits calculés par le modèle comparativement aux débits mesurés. En ce qui concerne la piézométrie, la représentation des rabattements observés en fonction de ceux calculés par le modèle aux différentes stations montre un nuage de points plus regroupé autour de la première bissectrice (Figure 7.27) par rapport à celui obtenu par les débits.
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG)) 163 Chapitre VII : Modélisation des écoulements superficiels et souterrains du bassin du Merguellil
Figure 7.28 Relation entre les résidus et les débits calculés aux différentes stations hydrométriques du bassin du Merguellil : (a) Skhira, (b) Haffouz, (c) Zebbes, (d) Sidi Boujdaria et (e) El Haouareb. A l’exception de la station hydrométrique de Zebbes (Figure 7.28c), sur toutes les autres stations hydrométriques les résidus des débits ne montrent pas de tendance en fonction des débits calculés par le modèle. Sur les stations de Skhira (Figure 7.28a), Haffouz (Figure 7.28b), Sidi Boujdaria (Figure 7.28d) et El Haouareb (Figure 7.28e) le nuage de points se
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG)) 164 Chapitre VII : Modélisation des écoulements superficiels et souterrains du bassin du Merguellil concentre vers les faibles valeurs de débits calculés (qui constituent l’essentiel du nuage) et montre une certaine répartition autour de la valeur 0 de l’erreur (débit mesuré - débit calculé). Pour les quelques valeurs importantes de débits calculés on observe une certaine dispersion de l’erreur sans toutefois montrer une franche tendance à la sous-estimation ou à la surestimation des résidus en fonction des débits calculés. En ce qui concerne la station de Zebbes (Figure 7.28c), on constate une certaine tendance des résidus en fonction des débits calculés par le modèle. En effet, cette figure montre une tendance à la surestimation des valeurs calculées par le modèle. Cependant, étant donné la très courte longueur des observations à ce site (2 années) par rapport aux autres stations hydrométriques du bassin, ce résultat est à prendre avec quelques précautions. Pour les données piézométriques, si on prend tous les piézomètres confondus, on constate que les résidus ne présentent pas de nette tendance (Figure 7.29). Cependant si nous considérons chaque piézomètre à part, nous constatons que les résidus présentent une certaine tendance en fonction des rabattements calculés par le modèle. Cette tendance peut être vers la sous- estimation ou la surestimation des piézométries calculées selon la station piézométrique concernée (Figure 7.30). A titre d’exemple la Figure 7.30c montre une tendance de l’augmentation proportionnelle de l’erreur (mesure - calcul) en fonction du rabattement calculé à Cherichira alors que la Figure 7.30d évolue dans le sens inverse. Par contre les Figures 7.29a et 7.29b montrent deux tendances successives.
Figure 7.29 Relation entre les résidus et les rabattements calculés à toutes les stations piézométriques du bassin du Merguellil Ces tendances dans les résidus des données piézométriques sont dues au fait que pour calculer les piézométries des pas de temps successifs, le modèle part de la valeur précédente. Ceci fait que l’erreur commise à l’étape suivante est influencée par celle de l’étape précédente. Pour
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG)) 165 Chapitre VII : Modélisation des écoulements superficiels et souterrains du bassin du Merguellil analyser l’auto corrélation des erreurs nous avons représenté l’autocorrélogramme des valeurs simulées par le modèle à la station de KT5 qui présente le plus de données (Figure 7.31a). Elle montre une très forte persistance entre les rabattements successifs, alors que les débits calculés à la station de Haffouz montrent une indépendance entre les valeurs successives (Figure 7.31b).
Figure 7.30 Relation entre les résidus et les rabattements calculés à quelques stations piézométriques du bassin du Merguellil : (a) Bir Triaa Ben Fredj (région d’Aïn Baïdha), (b) Piézomètre PL1 (région de Bouhafna), (c) Piézomètre Cherichira III (région de Cherichira), et (d) Bir El Adhine (région de Haffouz).
Figure 7.31 Auto corrélation entre les valeurs mensuelles calculées par le modèle : (a) à la station piézométrique KT5 et (b) à la station hydrométrique de Haffouz. 7-5-5- Validation des paramètres du modèle La validation du modèle a été effectuée à une seule station hydrométrique (Haffouz) qui dispose d’un historique hydrométrique avant 1970. Elle a consisté à vérifier si les différents jeux de paramètres sélectionnés reconstituent les évènements exceptionnels de l’année 1969. Comme entrées du modèle nous avons considéré les données des différentes stations pluviométriques pendant cette période. Pour les écoulements souterrains nous avons considéré
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG)) 166 Chapitre VII : Modélisation des écoulements superficiels et souterrains du bassin du Merguellil le même état initial que dans la phase de calage, alors que pour les écoulements superficiels, seules les fonctions de production ne tenant pas compte des aménagements ont été considérées (croûtes, forêts, argiles, sables et affleurements). Les variables d’état de ces dernières (R et RNAP) ont été supposées nulles au début des simulations.
Figure 7.32 Comparaison des valeurs mesurées et calculées (au pas de temps de 5 jours) par les 16 jeux de paramètres pendant l’année hydrologique 1969/70.
Figure 7.33 Box Plot des valeurs du critère de performance EXPO calculées (par les 16 meilleurs jeux de paramètres sélectionnés) en période de validation sur l’année hydrologique exceptionnelle 1969/70 et à la station hydrométrique de Haffouz. Nous avons reconstitué les débits de cette période à l’échelle journalière à l’aide des 16
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG)) 167 Chapitre VII : Modélisation des écoulements superficiels et souterrains du bassin du Merguellil meilleurs jeux de paramètres sélectionnés. La comparaison de ces simulations avec les mesures au pas de temps de 5 jours montre une bonne reconstitution de la dynamique des débits à la station de Haffouz (Figure 7.32). Malgré des écarts entre les valeurs mesurées et calculées, on constate cependant que les pointes sont assez bien reconstituées. Les critères numériques Expo calculés pour ces 16 jeux de paramètres varient entre 0.43 et 0.65 (Figure 7.33). La valeur de ce critère calculé à partir d’une moyenne des débits des 16 simulations donne un critère d’environ à 0.60. Malgré une plus forte dispersion, les valeurs du critère EXPO calculées en validation sont ainsi en moyenne proches de celles obtenues en calage à la station de Haffouz (Figure 7.16, Tableau 7.10). 7-6- Application à l’élaboration du bilan en eau du bassin du Merguellil
Les résultats précédents nous ont permis d’analyser les éléments du cycle hydrologique calculés par le modèle (pour les 16 jeux de paramètres sélectionnés). Nous constatons que l’évapotranspiration constitue de loin l’élément prépondérant du bilan hydrologique de surface (Figure 7.34a). Sur la période étudiée (1970-1998), elle représente environ 92% des précipitations tombées annuellement sur le bassin du Merguelil. Le ruissellement et l’infiltration représentent des parts très faibles si on regarde le bassin dans son ensemble, respectivement environ 5% et 3% des précipitations.
Figure 7.34 (a) Estimation des éléments du bilan interannuel du bassin du Merguellil sur la période 1970-1998 et sa comparaison avec (b) un scénario sans prélèvements dans les nappes. Le système souterrain a connu un déficit d’environ 16 mm/an. En effet, ses sorties constituées essentiellement par les pompages (16 mm), le drainage par les rivières (7 mm) et les percolations vers la nappe de la plaine aval de Kairouan (2 mm) représentent 25 mm alors que l’alimentation du système constituée principalement par l’infiltration ne représente que 8 mm. Ce déficit est dû à une action conjuguée de trois phénomènes : le déficit pluviométrique sur la période 1976-1989 (Kingumbi, 2005a), les prélèvements dans le système souterrain, et l’important tarissement consécutif à la hausse du niveau piézométrique liée aux évènements exceptionnels de 1969. Ce tarissement a été analysé en effectuant les 16 simulations sélectionnées tous pompages annulés. Le bilan obtenu est schématisé sur la Figure 7.34b qui montre que, malgré l’annulation des prélèvements, le système souterrain se retrouve avec un déficit de 9 mm. Par contre, il y a une augmentation conséquente du débit de drainage qui
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG)) 168 Chapitre VII : Modélisation des écoulements superficiels et souterrains du bassin du Merguellil suggère que le système souterrain fonctionnerait en tarissement pur. Le système est ainsi déficitaire sur l’ensemble de la période (1970-1998), mais ce déficit est surtout concentré sur la période 1970-1989, la période 1989-1998 étant caractérisée par un certain rééquilibre entre les entrées et les sorties. Ce qui impliquerait la résorption de l’effet des évènements exceptionnels de 1969 sur la dernière décennie de la période d’étude.
Figure 7.35 Evolution temporelle des écarts à la moyenne des éléments du bilan superficiel du bassin du Merguellil
Figure 7.36 Evolution temporelle de la lame écoulée simulée aux différentes stations hydrométriques du bassin versant du Merguellil La Figure 7.35 montre l’évolution temporelle des écarts à la moyenne des principaux éléments du bilan hydrologique du bassin du Merguellil. Elle montre que ces éléments ont
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG)) 169 Chapitre VII : Modélisation des écoulements superficiels et souterrains du bassin du Merguellil subi l’effet de la même baisse de la pluviométrie annuelle enregistrée entre 1976 et 1989 (Kingumbi et al., 2001 ; Kingumbi et al., 2005a). En effet, nous constatons que pour tous ces éléments hydrologiques il y a une période déficitaire (1976-1989) encadrée par deux périodes excédentaires (1970-1976 et 1989-1998). Les variations temporelles de la pluviométrie et de l’évapotranspiration réelle sont ainsi similaires. Ce comportement reste visible au niveau du ruissellement et de l’infiltration avec des indices d’anomalies plus marqués par rapport à la pluviométrie et à l’évapotranspiration réelle surtout sur la période 1970- 1976.
Figure 7.37 Lames moyennes (mm) écoulées et simulées aux différentes stations hydrométriques sur les périodes 1970-1977 (souligné) et 1977-1998 (gras) Il est aussi à remarquer que les années les plus pluvieuses produisent une infiltration d’avantage plus importante. En effet nous remarquons que l’infiltration de l’année 1989/90, considérée comme la plus pluvieuse de ces 3 dernières décennies, a enregistré un indice d’anomalies (variable centrée réduite) bien supérieur à celui de la pluviométrie (Figure 7.35). La pluviométrie de cette année hydrologique a un indice inférieur à 3 alors que l’indice de l’infiltration de la même année est bien supérieur à cette valeur. Ce comportement, qui consiste en la recharge des systèmes pendant les évènements importants, est caractéristique des climats semi-arides. Il a donc été bien illustré dans le cas du bassin de l’oued Merguellil. La représentation des lames écoulées aux différentes stations du bassin du Merguellil (Figure 7.36, Figure 7.37), montre que la partie centrale du bassin est la plus productrice d’écoulement (stations de Zebbes, Haffouz et Sidi Boujdaria). Cette partie étant en relation avec les aquifères les plus importants, les écoulements sont renforcés par les débits de base
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG)) 170 Chapitre VII : Modélisation des écoulements superficiels et souterrains du bassin du Merguellil qui proviennent des nappes. L’amont du bassin est moins producteur d’écoulement. En effet la comparaison de la lame écoulée à la station de Skhira avec celle de la station de Zebbes, de superficie contrôlée voisine, montre une différence d’environ 10 mm en moyenne (Figure 7.37). Cette différence serait due au fait que le bassin de Skhira est occupé essentiellement par la forêt qui favorise l’évapotranspiration alors que le bassin du Zebbes, dont l’arboriculture est l’occupation principale, favoriserait plus la production d’écoulement au détriment de l’évapotranspiration. On remarque aussi que la partie située entre la station de Sidi Boujdaria et le barrage d’El Haouareb, produisait moins d’écoulement que la partie centrale (Figure 7.36, Figure 7.37) dans la première partie de la période d’étude (1970-1977). Mais cette tendance s’est inversée vraisemblablement suite à la diminution des apports de base dans la partie centrale consécutive à la surexploitation de la nappe dans la zone de Bouhafna et au fait que les apports de la nappe dans la zone d’Aïn Baïdha à l’oued Merguellil et Ben Zitoune dans la partie aval n’ont pas autant baissé (Figure 7.37). 7-7- Impact de la prise en compte des aménagements sur les éléments du cycle hydrologique
Pour justifier la modification des paramètres au cours du temps dans le modèle, nous avons fait fonctionner le modèle en considérant seulement les cinq fonctions de production initiales qui tiennent compte de la pédologie et de l’occupation des sols. Cela a été fait sur les 10000 jeux de paramètres précédemment générés aléatoirement. La comparaison de la distribution du critère global obtenu à partir de ces simulations avec celle des simulations précédentes montre que pour une même fréquence les simulations qui tiennent compte de l’impact des aménagements produisent toujours un critère meilleur (Figure 7.38). A titre d’indication, la médiane du critère global calculée à partir des simulations qui tiennent compte des aménagements est égale à 0.49 alors que celle des simulations qui n’en tiennent pas compte est égale à 0.46. Nous avons donc un gain d’environ 3% sur le critère global. La valeur du gain n’est pas très importante, mais ce qui est intéressant c’est que systématiquement à toute fréquence correspond des valeurs du critère numérique qui sont meilleures dans le cas des simulations qui tiennent compte des aménagements. Comme précédemment, nous avons sélectionné les 16 jeux de paramètres qui donnent le meilleur critère global. Ceci nous a conduit aux mêmes numéros de jeux de paramètres que ceux obtenus dans le cas de la prise en compte des aménagements CES. Nous avons ainsi essayé de comparer les valeurs des composantes du cycle de l’eau générées dans les deux cas : avec et sans prise en compte des ouvrages CES. Comme on pouvait s’y attendre l’implantation des aménagements a diminué le ruissellement. En effet comme on peut le constater sur la Figure 7.39a, les quantités ruisselées sont toujours un peu moins importantes dans le cas de simulations avec aménagements que dans le cas des
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG)) 171 Chapitre VII : Modélisation des écoulements superficiels et souterrains du bassin du Merguellil simulations sans aménagements sur la période 1980-1998 concernée par l’implantation des aménagements. Mais cette diminution est vraiment très faible, elle n’est que de l’ordre de 1% du volume total ruisselé sur la période considérée.
Figure 7.38 Comparaison des distributions du « critère global », calculées en calage multicritère et pour 10000 simulations qui tiennent compte et pas des aménagements CES.
Figure 7.39 Comparaison de l’impact des ouvrages CES sur les éléments du bilan dans le bassin versant du Merguellil pour : (a) le ruissellement, (b) l’infiltration, (c) l’écoulement et (d) le drainage de la nappe par les oueds. En ce qui concerne l’infiltration nous remarquons que, avec ou sans aménagements, elle est sensiblement la même (Figure 7.39b). On retrouve le même comportement au niveau du
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG)) 172 Chapitre VII : Modélisation des écoulements superficiels et souterrains du bassin du Merguellil drainage de la nappe par les différents oueds (Figure 7.39d). Etant donné que l’infiltration reste stationnaire, la faible diminution du ruissellement est compensée par une augmentation équivalente de l’évapotranspiration réelle. Ainsi, l’utilisation des aménagements a globalement provoqué une légère augmentation de l’évapotranspiration. Ceci peut s’expliquer par le fait que nous avons supposé que toutes les eaux des superficies occupées par les lacs et barrages collinaires se perdaient par évapotranspiration. Cette hypothèse qui découle des constatations sur le fonctionnement des lacs collinaires, suppose que cette eau qui ne participe pas aux écoulements à l’exutoire se perd par évapotranspiration. La diminution du ruissellement constaté sur les simulations avec aménagements se retrouve logiquement au niveau de l’écoulement qui représente la somme du ruissellement et du drainage (Figure 7.39c) 7-8- Evolution temporelle de la relation entre la nappe et les eaux de surface
A l’état initial, nous avons supposé qu’il y avait un certain échange entre les eaux de surface et les eaux souterraines. Cette relation a été caractérisée par deux éléments : la communication entre la nappe phréatique et les différents oueds et les débits provenant des différentes sources de la nappe profonde. Nous avons essayé de quantifier la quantité drainée par les différents oueds sur toute la période d’étude. Nous obtenons globalement que sur la période d’étude, le drainage de la nappe phréatique par les différentes rivières a baissé de 2/3. Il est passé d’un débit de 600l/s en 1970 à un débit de 200l/s en 1998. Cette baisse est constatée au niveau de tous les oueds, notamment au niveau de l’oued Merguellil dont la contribution est deux fois supérieure aux autres oueds. Le drainage de cet oued a subi une considérable baisse consécutive à l’exploitation intensive de la nappe oligocène de Bouhafna pendant les années 1980 (Figure 7.40a). Les autres oueds ont subi une baisse de drainage consécutive à une baisse de la piézométrie due essentiellement à une faible pluviométrie. Ainsi l’oued Zebbes a connu une baisse du débit de drainage de la nappe phréatique de 15% (Figure 7.40b), 24% pour l’oued Ben Zitoune (Figure 7.40c) et 8% pour l’oued Zeroud (Figure 7.40d). L’oued Merguellil a connu une plus grande baisse, avec une chute de plus de 60% de ses écoulements provenant initialement de la nappe phréatique (Figure 7.40a). Le flux issu du souterrain pour alimenter l’écoulement de surface n’a pas cessé de baisser depuis le début des années 1970 (Figure 7.40). Cette baisse est relative à l’augmentation des prélèvements (Figure 4.15, Figure 4.16) qui ont été effectués dans ces nappes. Hervieu (2000) a montré une certaine augmentation de la minéralisation des eaux du Merguellil à la station de Sidi Boujdaria depuis le début des années 1970 (Figure 7.41a). Une forte corrélation a été établie entre la concentration de ces eaux et le débit drainé de la nappe par les différents oueds du bassin Merguellil (Figure 7.41b). Ce résultat permet d’avancer l’hypothèse que
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG)) 173 Chapitre VII : Modélisation des écoulements superficiels et souterrains du bassin du Merguellil l’augmentation de la minéralisation des eaux de l’oued Merguellil à Sidi Boujdaria pourrait être en relation avec la diminution de la contribution des nappes au débit d’étiage de cet oued.
Figure 7.40 Evolution des débits de drainage de la nappe phréatique par les oueds
Figure 7.41 (a) Evolution temporelle de la minéralisation des eaux de l’oued Merguellil à la station hydrométrique de Sidi Boujdaria et (b) sa comparaison avec les débits drainés des aquifères par les oueds.
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG)) 174 Chapitre VII : Modélisation des écoulements superficiels et souterrains du bassin du Merguellil Les sources d’Iktifet El Omrane ont tari depuis l’année 1976 (Figure 7.42b). Ce résultat concorde avec celui obtenu par Gribaa (1997) dans sa modélisation de la nappe oligocène de Bouhafna et qui a trouvé que ces sources ont tari depuis 1975. Les sources de Cherichira (Figure 7.42d) ont tari dès la première année du régime transitoire, ce qui est conforme au comportement piézométrique de cette nappe. Ceci suppose que les eaux de ces sources actuellement observées au niveau de l’oued Cherichira proviendraient plutôt de la nappe phréatique que de la nappe profonde de l’Oligocène.
Figure 7.42 Evolution des débits des sources provenant de la nappe profonde Les eaux des sources du Zeroud (Figure 7.42c) provenant de la nappe profonde fluctuent en fonction de la recharge de la nappe profonde. Leurs débits sont très faibles (entre 0 et 3l/s) et sont négligeables par rapport au drainage par l’oued Zeroud de la nappe phréatique. Les percolations profondes par le seuil d’El Haouareb (Figure 7.42a) ont varié autour de 70l/s. Le modèle montre leur baisse depuis le débit des années 1970 jusqu’à la fin des années 80. Avec les évènements importants du début des années 1990 nous constatons un certain
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG)) 175 Chapitre VII : Modélisation des écoulements superficiels et souterrains du bassin du Merguellil rehaussement de leur débit qui s’est stabilisé à près de 71l/s. Cette valeur est proche de 90 l/s avancés par Baba Sy (1999) mais elle est très loin de 120 l/s utilisés par Nazoumou (2002). Dans cette modélisation nous avons supposé une certaine alimentation de la nappe profonde par l’oued Merguellil lors de son passage sur les affleurements oligocènes de Bouhafna. A l’état initial (1970), ce débit d’alimentation a été estimé par le modèle à environ 30 l/s. Il s’est accru avec le temps jusqu’à atteindre une valeur limite de 45 l/s proche de celle fixée préalablement (50 l/s) et à mesure que le niveau de la nappe profonde diminuait (Figure 7.43) suite aux prélèvements.
Figure 7.43 Evolution de l’alimentation de la nappe profonde par l’oued Merguellil lors de son passage sur les grès oligocènes de Bouhafna Cette valeur limite n’a pas évidement été choisie en partant des mesures sur le terrain, mais il serait intéressant de faire des jaugeages différentiels en période des crues pour s’en assurer. Une campagne de jaugeages différentiels effectuée en période d’étiage par Tchabore (2001) a montré une certaine alimentation de la nappe par le passage des eaux du Merguellil sur les grès oligocènes de Bouhafna d’environ 35 l/s. 7-9- Analyse des séries chronologiques reconstituées
L’analyse des séries chronologiques calculées a consisté à détecter d’éventuelles ruptures de la stationnarité. Trois méthodes de détection des changements dans les séries chronologiques ont été utilisées : la méthode bayésienne de Lee et Heghinian (1977), la procédure de segmentation de Hubert et al. (1989) et le test de Pettitt (1979). Les résultats de l’application des ces méthodes sur les séries reconstituées sont compris dans le Tableau 7.14. Dans la série du ruissellement du bassin du Merguellil, une rupture de la stationnarité a été détectée par les trois méthodes en 1976. Il semblerait qu’à partir de cette année, le ruissellement ait connu une baisse d’une vingtaine de mm entre les périodes 1970-1976 et 1976-1998. Une rupture à la même date a été détectée dans la série de l’infiltration mais dont l’amplitude n’est pas aussi significative que celle du ruissellement. Par contre dans la série de l’écoulement (ruissellement et débit de base) une rupture de plus grande importance a été détectée à la même date. Cette rupture n’aurait pas de lien avec les aménagements de conservation des eaux et des sols, puisque la plupart de ces aménagements n’ont commencé que vers la moitié des années 1980. Elle serait plutôt liée à la baisse de la pluviométrie constatée sur la période 1976-1989 surtout dans les gros évènements (Kingumbi et al.,
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG)) 176 Chapitre VII : Modélisation des écoulements superficiels et souterrains du bassin du Merguellil 2005a). D’ailleurs cette hypothèse est confirmée par l’analyse de la contribution du ruissellement dans l’écoulement du bassin du Merguellil qui montre deux ruptures en 1977 et en 1989 (Figure 7.44) : deux périodes durant lesquelles cette contribution est relativement plus importante (1970-1977 et 1989-1998) séparées par une période dans laquelle elle est sensiblement plus faible (1977-1989). Tableau 7.14 Dates détectées dans les valeurs reconstituées des différents éléments du cycle hydrologique par les méthodes de détection de changements dans les séries chronologiques Dates détectées par les méthodes de détections des Variables changements Pettitt (1979) Hubert et al. (1989) Lee et Heghinian (1977)
Ruissellement (mm) 1977 (95%) 1976 (1%) 1976 (-24 mm)
Infiltration (mm) 1977 (90%) - 1976 (-4 mm)
Ecoulement (mm) 1977 (99%) 1976 (1%) 1976 (-29 mm)
Drainage de la nappe par les oueds (mm) 1982 (99%) 75-77-79-82-92 (1%) 1978 (-7 mm)
Contribution du drainage dans l’écoulement (%) 1989 (90%) 1977-1989 (1%) 1989 (-13 %)
Contribution du ruissellement dans l’écoulement (%) 1977 (90%) 1977-1989 (1%) 1977 (-22%)
Figure 7.44 Ruptures détectées dans la variable contribution du ruissellement dans l’écoulement D’autres ruptures ont été détectées dans le débit de drainage de la nappe par les différents oueds. Le test de Pettitt et la méthode bayésienne ont détecté une rupture respectivement en 1982 et en 1978, alors que la procédure de Hubert a détecté plusieurs ruptures en cascade allant de 1975 à 1992. Une étude de la contribution de ce drainage dans l’écoulement total du bassin a permis de mieux appréhender les ruptures dans cette variable. En effet deux dates de ruptures (1977 et 1989) ont été détectées dans cette variable. Elles montrent que deux périodes (1970-1977 et 1989-1998) dans lesquelles cette variable est déficitaire encadrent une
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG)) 177 Chapitre VII : Modélisation des écoulements superficiels et souterrains du bassin du Merguellil période (1977-1989) excédentaire (Figure 7.45). La faiblesse de la contribution du drainage dans l’écoulement dans la première période déficitaire (1970-1977) est essentiellement due à l’importance du ruissellement, alors que la seconde période déficitaire (1989-1998) est essentiellement due à la faiblesse des débits drainés par les oueds. La période excédentaire (1977-1989) correspond à la période où le ruissellement est le plus faible, ce qui a permis d’accroître la contribution du drainage dans l’écoulement durant cette période.
Figure 7.45 Ruptures détectées dans la variable contribution du drainage dans l’écoulement 7-10- Conclusion
Le bassin du Merguellil ayant connu une baisse de ses écoulements durant la dernière décennie nous avons essayé de déterminer l’origine de cette baisse par une approche de modélisation hydrologique qui tient compte de nombreux aménagements de conservation des eaux et des sols mis en place depuis plusieurs décennies. Le modèle MODCOU, élaboré à l’Ecole des Mines de Paris a été utilisé à cet effet. La version de ce modèle utilisée dans cette étude fonctionne en « transmissivités ». Cela est bien adapté pour la reconstitution du fonctionnement des nappes captives. Pour les nappes libres, un tel modèle peut être utilisé mais dans des conditions de faibles rabattements. C’est pour cela que nous l’avons utilisé dans le cas des nappes du Merguellil où les forts rabattements n’ont concerné que la nappe profonde qui est captive dans les zones de Bouhafna et Cherichira. L’occupation et la nature des sols nous ont permis de définir quatre zones d’homogènes fonctions de production. Une cinquième fonction a été envisagée pour les zones d’affleurements oligocènes et deux autres pour couvrir les zones concernées par deux principaux aménagements CES implantés dans le bassin du Merguellil depuis la fin des années 1960. Ces deux dernières ont été modifiées temporellement pour tenir compte des dates d’implantation de ces aménagements.
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG)) 178 Chapitre VII : Modélisation des écoulements superficiels et souterrains du bassin du Merguellil Le système souterrain du bassin du Merguellil a été d’abord modélisé à l’état initial. Nous avons d’abord choisi une date de référence (l’année 1970) à laquelle une reconstitution du fonctionnement initial du système a été effectuée. Ensuite nous avons présenté les différentes données introduites (transmissivités) en vue de la modélisation ainsi que le processus de calage suivi. Nous aboutissons à une bonne reconstitution de la carte piézométrique issue des mesures dans les différents secteurs de la nappe phréatique et profonde. Dans la zone d’Aïn Baïdha, les isopièzes amont, au niveau des piedmonts des principaux dômes (djebels Touila et Trozza), sont bien reconstitués. D’autre part, les sens d’écoulement obtenus à partir des mesures sont aussi proches de ceux calculés par le modèle dans cette zone. Nous aboutissons aux mêmes résultats dans la zone d’El Ala pour la nappe phréatique et dans la zone de Bouhafna pour la nappe profonde. Dans la zone de Haffouz la reconstitution est moins bonne, elle suit cependant l’allure générale des écoulements. Dans la zone de Cherichira qui concerne la nappe profonde, nous aboutissons à une bonne reconstitution des conditions aux limites du système (le débit des sources dans cette zone ainsi que leur niveau de drainage). Cependant étant donné la faiblesse des mesures dans cette zone nous n’avons pas tenu à affiner le calage pour reconstituer l’allure interpolée à partir des mesures piézométriques dans cette zone. Le bilan global, obtenu à l’état initial (1970), est d’environ 900 l/s. Plus de 2/3 de ce flux sortent par les oueds. La moitié du dernier tiers est prélevée par différents pompages tandis que l’autre moitié sort par les différentes sources. La moitié de l’alimentation se fait par l’infiltration au niveau des piedmonts des djebels, un quart par l’infiltration sur les affleurement oligocènes de la nappe profonde et le dernier quart par l’infiltration sur les affleurements de la nappe phréatique. La procédure de calage adoptée, en régime transitoire, consiste à générer de façon aléatoire un nombre important de jeux des paramètres, de leur appliquer le modèle et de définir les jeux de paramètres optimums au regard des critères choisis. Nous avons exécuté le modèle au pas de temps journalier mais son évaluation pour le calcul des critères a été effectuée au pas de temps mensuel. Ce choix de pas de temps a été motivé par le fait que les données piézométriques ont le mois comme le plus petit pas de temps de mesure et aussi parce que les données hydrométriques ont donné des critères numériques de performance médiocres pour des pas de temps inférieurs à un mois. Pour commencer nous avons choisi une procédure monocritère (en multisite) qui tente de reconstituer les données piézométriques. Cette approche a donné 46 meilleurs jeux de paramètres dont les résultats en ce qui concerne les débits sont médiocres. Ensuite, un calage monocritère basé sur la reconstitution des débits a été effectué. Ce denier a été effectué sur les données hydrométriques prises dans leur ensemble (calage multisite) et au niveau des données individuelles des stations hydrométriques (calage monosite). Les jeux de paramètres qui donnent les meilleurs critères numériques de ces calages monocritères basés sur les débits ont donné des résultats légèrement moins bons en ce qui concerne la
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG)) 179 Chapitre VII : Modélisation des écoulements superficiels et souterrains du bassin du Merguellil piézométrie. Nous avons alors choisi d’adopter, un calage multicritère et multisite qui a donné 16 jeux de paramètres qui restituent le mieux possible les piézométries et les débits observés. Les jeux de paramètres ainsi sélectionnés ont été utilisés en validation sur l’année hydrologique exceptionnelle 1969/70 qui n’a pas été considérée dans le calage. Pour cela une seule station (Haffouz) disposant du plus grand historique des données, a été utilisée. Les 16 jeux de paramètres ont donné une bonne reconstitution de la dynamique des débits observés. Nous avons aussi abouti à des critères numériques proches de ceux obtenus à cette station durant la période de calage. Une application du modèle sans tenir compte des différents aménagements de conservation des eaux et des sols (banquettes et retenues collinaires) a donné des critères de performances nettement inférieurs aux critères obtenus en considérant la chronologie d’implantation de ces travaux. Ceci apporte une certaine justification quant à la méthode adoptée dans la prise en compte des travaux CES. Cependant les valeurs du critère de performance (adoptée), obtenues pour les 10000 jeux de paramètres générés, restent relativement faibles. En effet les meilleurs jeux de paramètres ont donné des valeurs du critère qui ne dépassent pas 70% des performances maximales. Ceci peut avoir plusieurs origines dont les hypothèses formulées en entrée du modèle, qui supposent que 4 des 7 paramètres de la fonction de production sont constants sur l’ensemble du domaine. D’autre part, pour le paramètre FN, nous avons supposé une relation rigide entre les différentes fonctions de production. Une génération aléatoire de ce paramètre, à l’instar de CRT et DCRT, améliorerait peut être les résultats. Par ailleurs, les transmissivités ont été supposées connues d’après le calage en permanent. Une perspective serait de simuler les paramètres du modèle souterrain par Monté Carlo. L’analyse des éléments du cycle de l’eau reconstitués par le modèle montre que les écoulements ont enregistré une chute à partir de l’année 1976, ce qui corrobore le changement constaté dans les grands évènements pluviométriques (> 30 mm) de ce bassin (Kingumbi et al., 2005a). Finalement nous aboutissons au constat que la baisse des écoulements du bassin versant du Merguellil enregistrée sur la période après la mise en eau du barrage d’El Haouareb (1989-1998) serait essentiellement due à la baisse du débit de base consécutive à la surexploitation des ressources souterraines, notamment celle de la nappe de Bouhafna.
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG)) 180 Conclusion générale
Le bassin de l’oued Merguellil est situé en Tunisie centrale, une région caractérisée par un climat semi aride. Il est constitué d’un relief relativement fort et couvre une superficie totale de l’ordre de 1325 Km2. L’évapotranspiration potentielle y est très élevée, avec des valeurs mensuelles qui varient entre 50 et 250 mm. La région est à vocation essentiellement agricole, ceci fait que la population, qui est globalement jeune, est rurale à plus de 80%. Il y a cependant quelques petits centres urbains, tels que Haffouz et El Ala, qui font exception à cette ruralité prononcée. Les cultures, les forêts et les parcours constituent l’essentiel de l’occupation des sols de ce bassin. Les pratiques culturales qui ne suivent pas les courbes de niveau et le surpâturage, associés à une forte agressivité des pluies ont été à l’origine d’une érosion intense. Ainsi plusieurs travaux de conservation des eaux et des sols, constitués essentiellement de banquettes et de lacs collinaires, pour lutter contre l’érosion d’une part et pour améliorer la qualité de vie des paysans d’autre part, ont été entrepris. Un réseau de 25 stations pluviométriques, situées sur le bassin du Merguellil et dans ses environs, a été inventorié pour cette étude. Ces stations, étudiées sur une période de 45 ans (1955-2000), recèlent de nombreuses lacunes. La durée moyenne des observations par station est de 25 ans et seulement 7 stations disposent des données qui excèdent 30 années d’observations. La vérification des données pluviométriques a été faite à l’aide de deux méthodes : la double masse et l’Ellipse de Bois. Ces méthodes nous ont permis de mettre en évidence quelques anomalies dans les données de quelques stations. Les pluies annuelles sont comprises entre 200 et 500 mm. Elles sont caractérisées par un important gradient pluviométrique (20 mm / 100 m) qui fait que l’amont est plus arrosé que l’aval du bassin du Merguellil. La pluie annuelle est caractérisée par deux pics, en automne et au printemps. La saison d’automne présente une occurrence plus importante des fortes intensités pluviométriques par rapport au printemps, ce qui fait une agressivité pluviométrique plus importante pendant cette période de l’année. Quatre stations, qui présentent un historique disparate des données, constituent l’essentiel du réseau hydrométrique du bassin du Merguellil. Les apports à l’exutoire du bassin du Merguellil ont été calculés par le bilan de la retenue du barrage d’El Haouareb. Ces différentes données montrent une décroissance de la lame ruisselée de l’amont vers l’aval du bassin, qui corrobore celle constatée sur la pluviométrie. Comme pour la pluviométrie, la distribution de l’écoulement est bimodale, avec deux pics en automne et au printemps. Les données hydrométriques sont caractérisées par un certain nombre d’anomalies regroupées en deux principales catégories : des incohérences entre les débits journaliers concomitants mesurés aux différentes stations, et la non concomitance entre les mesures hydrométriques et pluviométriques. La comparaison des débits et des pluies mesurés aux différentes stations pendant les principaux évènements pluvieux montre une instabilité des stations situées à l’aval où les sections des lits des oueds sont sableuses. Conclusion générale
Le bassin de l’oued Merguellil regorge d’importantes ressources en eau souterraines. Une description des principaux affleurements prévalant dans ce bassin a montré que ces derniers vont du Trias au Quaternaire. Les corrélations litho stratigraphiques, établies à partir des logs des forages, ont mis en évidence la communication entre les principales formations aquifères (Mioplioquaternaire, Oligocène et Eocène) de ce bassin. Ces aquifères ont été ensuite délimités en nappes phréatique et profonde dont les extensions spatiales ont été définies à partir des affleurements des principaux aquifères, l’orographie de la zone d’étude et les ouvrages de captage (puits et forages) implantés dans ces nappes. Une esquisse du fonctionnement de ces nappes a été effectuée, en définissant les zones d’alimentation et d’exutoire de celles-ci à partir des cartes piézométriques. Par ailleurs, les paramètres définissant l’hydrodynamique des nappes ont été décrits. Une forte disparité des transmissivités a été constatée entre les différentes zones du système et il a été montré que la nappe phréatique est en moyenne dix fois moins transmissive que la nappe profonde. La porosité efficace de la nappe phréatique est comprise entre 0.1 et 0.3 alors que les coefficients d’emmagasinement de la nappe profonde sont compris entre 10-3 et 10-5. Les prélèvements dans les nappes n’ont cessé d’augmenter depuis le début des années 1970. Ainsi on a assisté à un doublement des pompages dans la nappe profonde entre 1970 et 2000 alors que la nappe phréatique a vu ses prélèvements multipliés par six sur la même période. En ce qui concerne la nappe phréatique, la zone de Haffouz est la plus exploitée avec un taux d’une centaine de litre par seconde alors que la zone de Bouhafna est de loin la plus sollicitée pour la nappe profonde avec un débit moyen de 400 l/s. Les fluctuations temporelles du niveau piézométrique de la nappe phréatique dépendent de la pluviométrie et des grands barrages implantés sur ce bassin, alors que celles de la nappe profonde dépendent des pompages. C’est ainsi que le niveau piézométrique dans la zone de Bouhafna a baissé d’une trentaine de mètres sur 30 ans. Une baisse de même envergure a été constatée dans la zone de Cherichira qui n’a pas connu d’augmentation temporelle des prélèvements et dont l’origine serait la faiblesse des ressources. Les eaux de l’oued Merguellil, dont la minéralisation est faible (1.2 g/l) comparativement aux oueds voisins, sont caractérisées par un faciès sulfaté calcique à magnésien. Les différentes mesures montrent que le résidu sec augmente de l’amont vers l’aval et qu’il est plus important pendant les périodes d’étiages que pendant les crues. Elles montrent aussi l’augmentation de la minéralisation des eaux du Merguellil à la station de Sidi Boujdaria, qui serait consécutive à la baisse des apports à l’oued par la nappe dans la zone de Bouhafna où le résidu sec est particulièrement faible. Par ailleurs, les eaux des nappes présentent une minéralisation faible avec un résidu sec des eaux de la nappe profonde en général inférieur à celui de la nappe phréatique. La comparaison des apports du bassin du Merguellil sur deux périodes distinctes montre une certaine baisse de sa réponse durant la période correspondant à l’après mise en eau du barrage d’El Haouareb (1989-1998). Cette baisse de réponse peut être due soit à une chute des précipitations, soit aux divers changements induits par l’action anthropique sur ce bassin.
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 182 Conclusion générale
La première hypothèse a été analysée dans une étude sur l’évolution des séries pluviométriques de cette région. Nous avons, pour commencer, sélectionné, parmi les 25 stations pluviométriques de la zone d’étude, 8 stations qui disposaient d’un important historique de mesures. L'étude annuelle des huit séries pluviométriques a mis en évidence une séquence déficitaire entre 1976 et 1989. Cependant, trois méthodes de détection de changement dans les séries chronologiques (le test de Pettitt, la procédure de la segmentation de Hubert, et la méthode bayésienne de Lee et Heghinian) n'ont pas conclu à un changement de stationnarité dans les séries individuelles des diverses variables dérivées des pluies journalières mesurées aux 8 stations pluviométriques les plus représentatives. Par contre, le test F a montré que les distributions des pluies supérieures à 30 mm (à ces stations) ne sont pas statistiquement homogènes sur les trois périodes (1966-1976, 1976-1989 et 1989-1998), avec une baisse importante de leur contribution entre 1976 et 1989. Par la suite, le réseau entier constitué de 25 stations a été utilisé pour visualiser les distributions spatiales des événements pluviométriques les plus importants et construire les distributions cumulatives des pourcentages des superficies couvertes par les pluies journalières supérieures à 30 mm dans chacune des trois périodes (1966-1976, 1976-1989 et 1989-1998). Pour un niveau de fiabilité de 5%, le test de Smirnov est parvenu à la conclusion selon laquelle les distributions des surfaces couvertes par les pluies supérieures à 30 mm sont significativement différentes entre les périodes. Ainsi, 1976 constitue une année de changement en ce qui concerne la superficie couverte par ces pluies. Par ailleurs, le nombre moyen annuel de jours où l’isohyète 30 mm est présent dans la région d'étude a augmenté de 11 jours (sur la période 1966-1989) à 16 jours (sur la période 1989-1998). Par conséquent, alors que le nombre moyen annuel de jours où l’isohyète 30 mm est présent dans la région d'étude a augmenté depuis 1989, la distribution de la couverture spatiale des pluies supérieures à 30 mm a connu une baisse considérable depuis 1976. La réduction de la couverture spatiale et du cumul des contributions des événements pluvieux importants après 1976 peuvent être ainsi perçues comme faisant partie des éléments qui ont contribué à la baisse des apports du bassin du Merguellil pendant la première décennie d'exploitation du barrage d’EL Haouareb. Mais une certaine reprise pluviométrique sur la période 1989-1998, particulièrement l'augmentation du nombre de jours de pluies supérieures à 30 mm, suggère que la combinaison de l’action humaine et de la variabilité pluviométrique est plus apte à expliquer la baisse des apports de l’oued Merguellil sur cette période. L’étude des séries pluviométriques de la zone d’étude n’ayant pas abouti à des conclusions qui montrent que la baisse de la réponse du bassin du Merguellil était imputable à une chute des précipitations, nous avons essayé d’analyser la deuxième hypothèse concernant l’action anthropique en utilisant la modélisation hydrologique. Le bassin du Merguellil ayant connu plusieurs changements de ses états de surface, l’approche conceptuelle a été choisie, dans laquelle les différents changements ont été pris en comptent à travers les paramètres du modèle. Le modèle MODCOU a été choisi suivant cette considération et en partant du fait qu’il simule à la fois les écoulements superficiels et souterrains, et que son module souterrain
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 183 Conclusion générale
(NEWSAM) ressemble à celui déjà utilisé (MULTIC) dans les modélisations entreprises antérieurement sur deux nappes du bassin du Merguellil. MODCOU étant un modèle déterministe, nous avons introduit le caractère aléatoire dans ses sorties, par une génération aléatoire des valeurs de ses paramètres de production. Nous avons commencé par la définition des zones d’homogène production à partir de l’occupation des terres, de la nature des sols, des principaux affleurements aquifères et de l’historique des deux principaux aménagements CES (banquettes et lacs collinaires) implantés dans le bassin du Merguellil depuis les années 1960. La procédure de calage adoptée en régime transitoire est celle de Monté Carlo qui consiste à générer de façon aléatoire, un nombre important de jeux des paramètres et de les appliquer au modèle pour enfin sélectionner les jeux optimums au regard des critères numériques choisis. Le système souterrain du bassin du Merguellil a été d’abord modélisé à l’état de référence (1970). Nous avons abouti à une bonne reconstitution de la carte piézométrique issue des mesures dans les différents secteurs des nappes phréatique et profonde. Dans les zones d’Aïn Baïdha, Bouhafna et El Ala, les isopièzes sont bien reconstitués ainsi que les sens d’écoulement obtenus à partir des mesures Dans la zone de Haffouz la reconstitution est moins bonne, elle suit cependant l’allure générale des écoulements, alors que dans la zone de Cherichira nous aboutissons à une bonne reconstitution des conditions aux limites du système. Etant donné la faiblesse des mesures dans cette zone nous n’avons pas tenu à affiner le calage pour reconstituer l’allure interpolée à partir des mesures dans cette zone. Le bilan global, obtenu en régime d’équilibre, est d’environ 900 l/s. Les 2/3 de ce flux sortent par les oueds. La moitié du dernier 1/3 est prélevée par différents pompages tandis que l’autre moitié sort par les différentes sources. La moitié de l’alimentation se fait par l’infiltration au niveau des piedmonts des djebels, un quart par l’infiltration sur les affleurement oligocènes de la nappe profonde et le dernier quart par l’infiltration sur les affleurements de la nappe phréatique. Pour le régime transitoire, dans un premier temps nous avons choisi une procédure monocritère qui tente de reconstituer la piézométrie. Cette approche a donné 46 meilleurs jeux de paramètres dont les résultats en ce qui concerne les débits étaient médiocres. Ensuite, un calage monocritère sur les débits a été effectué. Ce denier a été fait sur les données hydrométriques prises dans leur ensemble (calage multisite) et au niveau des données individuelles des stations hydrométriques (calage monosite). Les jeux de paramètres qui donnent les meilleurs critères numériques de ces calages monocritères basés sur les débits ont cependant donné des résultats moins bons en ce qui concerne la piézométrie. Vu que les calages monocritères n’ont pas donné pleine satisfaction, nous avons opté pour un calage multicritère (hydrométrique et piézométrique) qui a donné 16 jeux de paramètres dont les critères de reconstitution piézométrique et hydrométrique sont meilleurs. Les jeux de paramètres ainsi sélectionnés ont été utilisés en validation sur l’année hydrologique 1969/70 dans le but de reconstituer les débits exceptionnels de cette année. Pour
Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 184 Conclusion générale cela une seule station (Haffouz), disposant du plus grand historique des données, a été utilisée. Les 16 jeux de paramètres ont donné une bonne reconstitution de la dynamique des débits observés et les critères numériques obtenus sont proches de ceux calculés pendant la période de calage à cette station. Une application du modèle sans tenir compte des différents aménagements de conservation des eaux et des sols (banquettes et retenues collinaires) a donné des critères de performances nettement inférieurs aux critères obtenus en considérant la chronologie d’implantation de ces travaux. Ceci apporte une certaine justification quant à la méthode adoptée dans la prise en compte des travaux CES. Cependant les valeurs du critère (adopté) de performance, obtenues pour les 10000 jeux de paramètres générés, restent relativement faibles. En effet les meilleurs jeux de paramètres ont donné des valeurs du critère qui ne dépassent pas 70% des performances maximales. Cela peut avoir plusieurs origines parmi lesquelles les hypothèses formulées en entrée du modèle, qui supposent que 4 des 7 paramètres de la fonction de production sont constants sur l’ensemble du domaine. D’autre part, pour le paramètre FN, nous avons supposé une relation rigide entre les différentes fonctions de production. Peut être qu’une génération aléatoire de ce paramètre, à l’instar de CRT et de DCRT, améliorerait les résultats. L’analyse des éléments du cycle de l’eau reconstitués par le modèle montre que les écoulements de ce bassin ont enregistré une chute à partir de l’année 1976, ce qui corrobore le changement constaté dans les grands évènements pluviométriques (> 30 mm) de ce bassin. Finalement nous aboutissons au constat que la baisse des écoulements du bassin versant du Merguellil enregistrée sur la période après la mise en eau du barrage d’El Haouareb (1989- 1998) serait essentiellement due à la baisse du débit de base consécutive à la surexploitation des ressources souterraines, notamment celle de la nappe de Bouhafna.
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