Hydrogéologie du bassin versant de la Tafna

Hydrogéologie du bassin versant de la Tafna

L’eau est un bien commun et vital. Elle est indispensable pour satisfaire les besoins de l’homme les plus futiles. Toutefois, sa rareté et son inégale répartition géographique engendrent d’une part des conflits juridiques et politiques entre de nombreux pays et d’autre part un potentiel et un enjeu socio-économique très importants. En effet, ce n’est pas un hasard si le mot rival vient du mot rive : le rival, c’est l’habitant de l’autre rive, celui qui pourrait être tenté de prendre plus que sa juste part de ce bien commun essentiel, l’eau (BAPE, 2000).

En Algérie, dans son rapport en 2004, la Commission de l’Aménagement du Territoire et de l’Environnement du Conseil National Economique et Social (CNES), mentionne qu’il faudrait disposer entre 15 et 20 milliards de mètres cubes par an, en réservant 70% à l’agriculture, pour parvenir à une sécurité alimentaire satisfaisante. C’est un défi titanesque lorsqu’on sait qu’on mobilise à peine au plus 5 milliards de mètres cubes par an (Masmoudi, 2009). Par conséquent, la réponse à cette délicate formule entre les ressources en eau et la satisfaction des besoins en eau des différents secteurs reste à résoudre. En outre, au-delà des faiblesses et des contraintes auxquelles le secteur de l’eau en l’Algérie fait face, les chercheurs ont pu montrer que ce pays serait probablement touché par les dernières variations climatiques. Ces variations sont traduites par une diminution des précipitations moyennes annuelles, tout en augmentant la probabilité d’occurrence des évènements climatiques extrêmes comportant particulièrement des périodes de sécheresse, qui devenaient au cours du temps, intenses et persistantes.

La modélisation de la relation pluie-débit est un sujet de recherche très important pouvant être utilisée pour la planification, le fonctionnement et le contrôle de tout projet de ressources en eau. Dans la plupart des régions arides, en particulier où il y a un manque de données hydrométéorologiques à long terme, la modélisation est devenue un outil convenable pour la gestion des ressources en eau, tant en période humide qu’en période sèche. En outre, les prédictions futures avec les différents scénarii en termes de changements climatiques ainsi que l’environnement peuvent être entrepris par la modélisation pluie-débit (Al-Ahmadi, 2005).

Aujourd’hui, la modélisation est devenue une pratique courante dans tous les domaines d’activité dont la raison principale est les limites des techniques utilisées pour mesurer et observer les différentes composantes d’un système hydrologique (Beven, 2001). Ainsi, pour fournir aux ingénieurs des outils appropriés pour la gestion de l’eau, l’hydrologue doit identifier les modèles qui représentent le comportement des bassins versants. Toutefois, les problèmes peuvent se poser en tout point d’un réseau hydrographique. Pour y répondre, l’hydrologue doit disposer des données permettant la paramétrisation de modèles pertinents. Seulement, il dispose souvent de données pluviométriques ou pluvio graphiques qui sont mieux distribuées spatialement que les séries de débit. Dans d’autres cas, les réseaux de mesures déjà existants sont en déclin et de fait, les processus hydrologiques dominants qui gouvernent la réponse de ces bassins, dits non jaugés ou non instrumentés, référencés comme ungauged et poorly gauged dans la littérature, restent donc peu connus. Du coup, le plus simple serait de pouvoir s’appuyer sur des relations régionales obtenues en établissant des liens statistiques entre les valeurs des paramètres des modèles hydrologiques et des descripteurs climatiques ou physiques des bassins.

Quelques réflexions sur la modélisation et la régionalisation hydrologique

Hydrologie et bassin versant : siège complexe de processus hydrologiques

Jadis, en Egypte, 3 000 ans avant Jésus-Christ, l’on disposait des données sur les niveaux des inondations du Nil ce qui, au fond représentait déjà une étude hydrologique rudimentaire (Duvivier, 1955) qui, jusqu’à présent les nilomètres sont présents. Etymologiquement, l’hydrologie est « la science qui traite des eaux », la définition change d’une époque ou d’un hydrologue à l’autre (Perrin, 2000). Selon Penman (1961), l’hydrologie se définit comme « la science qui répond à la question : Qu’arrive-t-il à la pluie ? » Selon le glossaire international d’hydrologie (UNESCO, 1975 ; UNESCO-OMM, 1992), l’hydrologie est «la science qui traite des eaux que l’on trouve à la surface de la Terre, ainsi qu’au-dessus et en dessous, de leur formation, de leur circulation et de leur distribution dans le temps et dans l’espace, de leurs propriétés biologiques, physiques et chimiques et de leur interaction avec leur environnement, y compris avec les êtres vivants». Au sens plus strict, c’est la science qui étudie le cycle de l’eau dans la nature  (Anctil et al., 2005). Ce cycle est un système fermé impliquant le transfert et la transformation de l’eau (James et Dooge, 1968).

Dooge (1988) mentionne que « l’affaire de l’hydrologie est de résoudre l’équation du bilan de l’eau ». L’hydrologie continentale, qui s’intéresse particulièrement à la partie du cycle de l’eau sur ou proche des terres émergées, peut être aussi définie comme la science de l’eau qui traite de la circulation, de la distribution, de la dynamique et des propriétés de l’eau sur Terre au travers du cycle hydrologique (Eagleson, 1991).

Afin de formuler, à l’échelle locale ou régionale, des lois de conservation correspondant à la partie continentale du cycle de l’eau, il est nécessaire de définir un support géométrique (Castaings, 2007). Étant donné que l’on s’intéresse dans le cadre de cette thèse à l’étude de la transformation de la pluie en débit dans les cours d’eau, la définition du support que constitue le bassin versant sera relative à celui-ci. Ainsi, en une section droite d’un cours d’eau, il s’agit de la totalité de la surface qui contribue à l’écoulement de ladite section (Hubert, 2003). L’étendue de cette surface dépend donc de l’endroit où l’on se place sur le cours d’eau (exutoire) et correspond dans la plupart des cas au bassin versant topographique défini par les lignes de crête (Le Xuan, 2008) (Fig. I.2). En outre, ces limites ne correspondent pas toujours aux contours définis par la structure géologique sous-jacente. Ainsi des terres situées en dehors des limites topographiques peuvent être drainées par des couches géologiques qui alimentent le bassin.

La définition du bassin versant n’est donc pas toujours facile et peut être source d’incertitude dans la démarche de modélisation. A titre d’exemple, les formations karstiques induisent souvent de très fortes différences entre les limites topographique et géologique. Par ailleurs, il faut souligner que le bassin versant est un système vivant, composition complexe hautement hétérogène et en constante évolution. Son analyse fine est éminemment délicate mais source d’une meilleure connaissance. Son analyse globale permet d’en tirer des traits et caractéristiques tout à fait pertinents pour en comprendre le fonctionnement d’ensemble (Perrin, 2000).

Processus identifiés et facteurs influençant les écoulements

La réponse hydrologique à l’exutoire d’un bassin versant est le résultat le plus souvent de la combinaison de plusieurs facteurs dont un certain nombre (pluviométrie et autre paramètres météorologiques, états de surface, etc.) influence la productivité des écoulements par le bassin (Rodier, 1964 ; Servat et Dezetter, 1991 ; Latron et Gallart, 2008). Evidemment, les activités humaines ont aussi un impact sur les écoulements.

La pente étant le moteur principal des écoulements latéraux de surface et de sub-surface, parmi les caractéristiques du bassin versant, celle dont l’hétérogénéité spatiale est à la fois la plus évidente et la plus influente est la morphologie du bassin. L’étendue de la surface de réception des précipitations, sa forme (allongée ou en éventail). On peut en dire de même de l’ensemble hiérarchisé et structuré des chenaux qui assurent le drainage superficiel permanent ou temporaire (structuration du réseau hydrographique) et de ses attributs (topologie, longueur et pentes caractéristiques, densité) (Castaings, 2007).

L’incroyable variabilité spatiale des propriétés de surface (occupation des sols, végétation) entraîne directement ou indirectement une extraordinaire complexité des processus de surface (ruissellement de surface, évapotranspiration, interception) et de sub-surface (infiltration). La texture du sol qui est un élément clé de l’hydrodynamique des sols, n’est à l’échelle du versant naturel que l’un des nombreux éléments déterminant l’infiltrabilité (Le Xuan, 2008).

Variabilité hydro-pluviométrique et analyse pluie-débit

La relation « pluviométrie-écoulement », ainsi que sa variabilité spatio-temporelle, est encore mal comprise à l’échelle régionale voire locale. Les principales études ont, jusqu’à présent, été menées à partir des données hydrologiques acquises sur de grands bassins versants (de l’ordre de 10 000 à 100 000 Km2 par des approches indirectes ou conceptuelles du type tests statistiques, calculs des coefficients de tarissement, etc. (Mahé et Olivry, 1999 ; Mahé et al., 2000). Cette relation « pluie-débit », traduite par le fait que les baisses de précipitations engendrent des baisses d’écoulement encore plus importantes. L’explication avancée est que la diminution relativement plus importante des débits trouve son origine dans une réduction durable des apports en eau souterraine. La validation de cette hypothèse nécessiterait une analyse des processus physiques à une échelle comparable à celles des observations de surface, c’est-à-dire des données piézométriques disponibles sur plusieurs milliers de kilomètre carrée sur la période pluri décennale des observations de débits (Kamagaté, 2006). Mais des éléments de réponse peuvent cependant être apportés par la caractérisation des processus physiques affectant les différents réservoirs hydriques d’un bassin versant représentatif, étudié sur des années à pluviométrie et écoulement contrastés.

Modélisation hydrologique

Définition du terme modèle

Un modèle est une représentation simplifiée d’un système physique donné et des différents processus explicatifs de son fonctionnement, la représentation du système peut être physique et reposer sur un modèle réduit du système. Elle est plus souvent mathématique. Mentionnons que par un abus de langage, le terme de modèle est souvent employé à la place de « système de modélisation » (Hingray et al., 2009).

Dans le cadre de notre étude, nous retenons pour modèles, les outils mathématiques qui sont constitués d’équations algébriques et différentielles qui relient les causes (appelées variables) aux effets (appelés grandeurs à modéliser), toutes ces quantités, étant de nature numérique (Dreyfus et al., 2002). Le modèle hydrologique répond à cette définition avec, pour variables, les précipitations, le ruissellement, l’infiltration, l’évapotranspiration et la variable à modéliser, le débit à la sortie du bassin.

Critères de qualité d’un modèle

Lors de l’élaboration d’un modèle, l’ambition de l’hydrologue est d’obtenir un outil le plus performant possible. Il est de coutume d’apprécier la qualité d’un modèle et ses aptitudes selon certains critères tels que la robustesse et la sensibilité. On souhaite en effet que le modèle ne diverge pas lorsqu’on modifie légèrement la valeur de ses facteurs d’entrée à cause d’erreurs sur les entrées (robustesse), mais qu’il soit sensible aux variations significatives des facteurs dont on cherche à simuler les effets, e.g. un changement d’occupation des sols (sensibilité) (Chkir, 1994 ; Zin, 2002).

De même, le principe de parcimonie doit être respecté : Parmi les différents modèles pouvant répondre à certains objectifs et hypothèses de travail, il est généralement conseillé de choisir le modèle le plus simple. Cela revient à choisir le modèle comportant le plus petit nombre possible de paramètres (et de relations non linéaires), car il s’agit de quantités non mesurables. Andersson (1992), ainsi qu’Ambroise (1999), rappellent que la complexité d’un système de modélisation ne doit pas être confondue avec la précision de ses résultats. Il s’agit d’un paradoxe bien connu par les hydrologues : si l’on veut représenter plus finement le fonctionnement d’un système, il est nécessaire d’augmenter l’information qu’il faut fournir au modèle, notamment pour la spécification des valeurs de ses paramètres. Etant donné que les observations sont généralement limitées, quand on augmente la complexité du modèle, on augmente aussi ses degrés de liberté, diminuant ainsi sa robustesse et sa performance (Jakeman et Hornberger, 1993).

Analyse de sensibilité

L’analyse de sensibilité consiste à étudier comment les perturbations sur les entrées du modèle engendrent des perturbations sur la réponse. Les entrées du modèle sont les paramètres, les conditions initiales et aux limites. Cette analyse peut avoir lieu à deux stades différents du processus de modélisation. Elle peut être placée avant l’étape de calibration afin d’identifier les paramètres les plus importants par rapport à la performance du modèle. Les paramètres les moins sensibles sont eux généralement fixés à des valeurs adaptées pour réduire la dimensionnalité du processus de calage (Bastidas et al., 1999). L’analyse de sensibilité peut aussi avoir lieu après le processus de calage pour juger si les paramètres ont bien été identifiés ou non.

Calage et validation

Tous les modèles existants nécessitent un calage. Ce calage se fait en modifiant les paramètres, à partir d’une estimation initiale, pour que le modèle ait ses sorties les plus proches possibles de celles du bassin versant à modéliser. Au sens strict du terme, c’est l’opération qui consiste à trouver les valeurs des paramètres du modèle qui minimisent l’erreur de modélisation. Cette opération peut se faire manuellement ou automatiquement (Madsen, 2000 ; Cudennec, 2000).

Conclusion générale

En hydrologie, la modélisation et la régionalisation de la relation pluie-débit sont des disciplines qui s’intéressent à la compréhension et la représentation de la transformation de la pluie en débit. Cette étude est orientée dans le contexte et porte sur l’étude « du bassin versant de la Tafna ». Ce bassin, connu pour ses potentialités en ressources en eau superficielles et souterraines importantes, a longtemps été considéré comme étant le principal château d’eau de toute la région hydrographique de l’Oranie. Suite à une recherche bibliographique, le choix s’est porté sur le modèle conceptuel GR2M et la régionalisation par des procédures du type régressif.

 

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Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
Chapitre I : ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE
Introduction
I. Quelques réflexions sur la modélisation et la régionalisation hydrologique
I.1 Hydrologie et bassin versant : siège complexe de processus hydrologiques
I.1.1 Processus et composantes d’écoulement
I.1.2 Processus identifiés et facteurs influençant les écoulements
I.1.3 Variabilité hydro-pluviométrique et analyse pluie-débit
I.2 Modélisation hydrologique
I.2.1 Définition du terme modèle
I.2.2 Critères de qualité d’un modèle
I.2.3 Critères de performance
I.2.4 Objet et enjeux de la modélisation pluie-débit
I.3 Calage, validation et incertitude d’un modèle
I.3.1 Sélection de la structure du modèle
I.3.2 Analyse de sensibilité
I.3.3 Calage et validation
I.3.4 Incertitude
I.4 Classification des modèles pluie-débit
I.4.1 Déterministe ou stochastique
I.4.2 Global, distribué ou semi-distribué
I.4.3 Empirique, conceptuel ou théoriques
I.5 Régionalisation : problématique et motivation
I.5.1 Besoin de méthode pour faire face à des bassins versants non jaugés
I.5.2 Approches de régionalisation en hydrologie
I.5.3 Limites des approches de régionalisation
II. État de l’art : Modélisation et régionalisation de la relation pluie-débit
II.1 A l’échelle internationale
II.2 A l’échelle nationale
III. Modélisation et régionalisation de la relation pluie-débit : Modèles et méthode
d’application choisis
III.1 Choix des échelles de modélisation
III.2 Description du modèle hydrologique utilisé
III.3 Critère mathématique d’optimisation du modèle : Critère de Nash-Sutcliffe
III.4 Evaluation de la performance d’un modèle
III.5 Evaluation des incertitudes associées aux valeurs de débits simulés
III.6 Caractérisation d’une tendance dans le comportement hydrologique du bassin
versant. Approche des simulations croisées
III.7 Descriptions de l’approche de régionalisation utilisée
III.7.1 Modèle théorique de la régression simple
III.7.2 Modèle théorique de la régression multiple
Conclusion
Chapitre II : BASSIN VERSANT ET BASE DE DONNEES
Introduction
I. Présentation de la zone d’étude
I.1 Géographie du bassin versant de la Tafna
I.2 Relief du bassin versant de la Tafna
I.2.1 Zones montagneuses
I.2.2 Zones des plaines et des plateaux
I.3 Géologie du bassin versant de la Tafna
I.3.1 Primaire
I.3.2 Secondaire
I.4 Végétation du bassin versant de la Tafna
I.5 Réseau hydrographique du bassin versant de la Tafna
I.5.1 Haute Tafna
I.5.2 Moyenne Tafna
I.5.3 Basse Tafna
I.6 Hydrogéologie du bassin versant de la Tafna
I.7 Aperçu sur les sous bassins du bassin versant de la Tafna
I.7.1 Sous bassin versant de Tafna maritime
I.7.2 Sous bassin versant d’Oued Isser (global)
I.8.3 Sous bassin versant d’Oued Sikkak
I.8.4 Sous bassin versant de Tafna Boukiou
I.8.5 Sous bassin versant de Tafna amont
I.8.6 Sous bassin versant d’Oued Ouardefou (Boughrara)
I.8.7 Sous bassin versant d’Oued Mouilah
I.8 Ressources en eau du bassin versant de la Tafna
I.8.1 Ressources en eaux superficielles du bassin versant de la Tafna
I.8.2 Ressources souterraines du bassin versant de la Tafna
II. Constitution de base de données
II.1 Présentation des données hydrométéorologiques
II.1.1 Données pluviométriques
II.1.2 Données thermométriques
II.1.3 Données hydrométriques
II.2 Critique et analyse des données hydrométéorologiques
II.2.1 Critique et analyse des données pluviométriques
II.2.2 Critique et analyse des données thermométrique
II.2.3 Critique et analyse des données hydrométriques
II.3 Estimation de l’évapotranspiration
CONCLUSION GENERALE

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