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).