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Cadre général de l’étude

Localisation géographique

Le Bassin-versant de Kamech se situe au pied du djebel Sidi Abderrahmane au centre de la péninsule du Cap Bon (Tunisie). Cette zone s’étend entre 10°45’-10°58’E et 36°43’-36°53’N (Figure 2).
C’est un sous-bassin versant du bassin du Lebna, où se produit actuellement une forte intensification des activités agricoles qui s’exprime par la multiplication des systèmes de culture irrigués, des aménagements hydro-agricoles et par l’augmentation de l’utilisation de fertilisants et de produits phytosanitaires. Ce petit bassin-versant de forme rectangulaire occupe une superficie de 263 hectares environ, pour une longueur de 2,5 km et une largeur de 0,9 km. Il est traversé par l’oued el Gameh, dont l’exutoire est aménagé par un lac collinaire dont la capacité initiale de la retenue était de 140 000 m3 (OMERE, 2013).

Climat

Le climat est semi-aride avec une température inter-annuelle moyenne de 14◦C, une évapotranspiration annuelle moyenne de 1200 mm, et une pluviométrie inter-annuelle moyenne de 650 mm (Figure 3). La saison des pluies se situe entre Octobre et Février et la saison sèche entre Juin et Août. Cependant, de fortes pluies sont parfois observées pendant les autres mois (Raclot and Albergel, 2006).

Géologie et géomorphologie

Le bassin de Kamech est situé sur le flanc sud-est de l’anticlinal (Figure 4), en rive gauche de l’oued el Ouidiane. Dans la région de Kamech, on ne retrouve que les restes de l’ultime surface en quelques alignements de sommets plans vers 160 m d’altitude. Cette surface est actuellement creusée par :
– des vallées antécédentes coulant au nord-ouest et au sud-est de part et d’autre d’une crête nord-est – sud-ouest (sud Tazoghrane),
– des vallons conséquents, comme celui de l’oued Kamech, parallèles aux axes tectoniques,
– des ravines ou ensellements de versants perpendiculaires aux vallons précédents et qui sont les ultimes entailles caractéristiques du bassin versant de Kamech.
On note une nette dissymétrie du bassin de Kamech avec un versant gauche sillonné par les alignements de crêts formés par les minces bancs de grès ferruginisés armant les marnes en dépression et un versant droit en revers de côte, abondamment raviné vers la mi-versant aux dépens des marnes et argilites. Le relief de Kamech est représentatif d’un relief collinaire avec une dénivelée maximale de 110 m et des pentes dépassant localement les 100%.

Pédologie

La pédogénèse est influencée par la pétrographie et le gisement des bancs sédimentaires. À Kamech, se trouvent des fronts de cuesta en rive gauche et des revers de côtes en rive droite, ceci influe sur la profondeur des sols, sur leurs régimes hydriques, orientant soit une percolation soit une stagnation. Trois grands ensembles peuvent être distingués :
– Des sols argilo-limoneux à argiles actives, assez profonds (50 à 120 cm en bas de versant) sur marnes et argilites,
– Des sols limoneux à limono-sableux fins, contenant peu d’argiles actives, peu profonds près des barres gréseuses dont les superficies affleurantes varient d’une rive à l’autre,
– Différentes zones de sols à caractères vertiques (topomorphes en bas fond et entre les barres gréseuses de la rive gauche, uniquement lithomorphes en rive droite).

Hydrographie et topographie

L’Oued el Gamh qui traverse le BV coule de part et d’autre d’une crête orientée NE-SO. Une dissymétrie du bassin versant avec un versant rive droite court et un versant rive gauche large a été noté (Mekki, 2003).
Les pentes sur le bassin de Kamech sont variables en amplitude et en direction. Les pentes les plus douces, qui ne dépassent pas 5%, sont localisées sur les limites du bassin versant, particulièrement sur la rive gauche et dans une moindre mesure le long du lit de l’oued. Les pentes les plus accentuées suivent le trajet de l’oued. Les altitudes varient entre 80 et 200m, et les pentes varient de 0 à 30% (15°) (zitouna-Chebbi, 2009).

Occupation des sols

Le bassin versant de Kamech est caractérisé par la rareté de la végétation naturelle due à l’utilisation des terres soit en culture (>60%) soit en parcours ligneux ou herbacés (30%). Ce bassin est très morcelé du fait de la superficie médiane d’une parcelle dont la superficie est de 0,5 ha. Les zones de pente (<15%) sont réservées aux céréales (blé, orge, avoine) et aux légumineuses (pois chiches, fèves). Les bas du vallon ayant des pentes (>15%) correspondent aux parcours herbacés et ligneux. Les sols céréales-céréales ou céréales-légumineuses dominent sur les sols céréales-jachères (OMERE, 2013).

Dispositif expérimental

Dans le cadre de l’ORE OMERE ‘Observatoire Méditerranéen de l’Environnement Rural et de l’Eau’, le bassin versant de Kamech (Cap Bon, Tunisie) a été équipé entre 2003 et 2005 d’un réseau de 4 stations hydrologiques emboités (Figure 5) dont l’objectif est de mesurer le ruissellement et l’érosion à différentes échelles, sur une durée de 5 à 10 ans.

Parcelle (P1)

La parcelle expérimentale (1,32 ha) est située à l’intérieur du micro bassin expérimental, en amont de celui-ci. Elle offre l’avantage d’avoir un exutoire unique, sur une seule ravine située à l’aval de la parcelle. Le ruissellement peut être ainsi facilement capté vers la station hydrologique (Hamdi et al., 2010). C’est une parcelle cultivée, de pente relativement constante autour de 10 %.

Ravine (P2+G)

La ravine est située en rive droite du bassin versant de Kamech où se produit l’essentiel du ravinement. La ravine proprement dite présente une superficie de l’ordre de 1700 m2 (nivellement d’octobre 2007), et est alimentée par un impluvium amont d’une superficie de 1,20 ha (soit un impluvium total de 1,37 ha). Les pentes des parcelles constituant l’impluvium amont varient entre 7 % et 10 % en haut de versant et avoisinent les 15% aux abords la ravine (El Khalili, 2012; Hamdi et al., 2010).

Micro bassin ou Versant (MC)

Le versant expérimental est situé en rive droite du bassin versant de Kamech où se produit l’essentiel du ravinement. Sa surface couvre 15,2 ha. Il est constitué :
– Majoritairement de parcelles cultivées, dont la parcelle expérimentale ;
– D’un réseau de ravines, dont la ravine 2F ;
– De quelques zones de parcours (Hamdi et al., 2010).

Station Oued (O)

Cette station oued occupe une superficie de 175 ha et constitue un point de contrôle des flux de sédiments entrants dans la retenue du lac collinaire de Kamech.

Equipements

Equipements stations

Le dispositif emboîté mis en place à l’échelle du micro bassin versant, en rive droite de l’oued Kamech, a pour objectif de quantifier les différentes formes d’érosion et de sédimentation (ravinaire et aréolaire) de l’amont jusqu’à l’aval d’un même versant, également de mieux cerner les processus dominants à chaque niveau d’échelle (formes dominantes d’érosion et/ou de sédimentation) et ainsi essayer d’apporter des réponses au problème de changement d’échelle.
Les stations hydrologiques sont fonctionnelles depuis : décembre 2003 pour la parcelle ; novembre 2004 pour la ravine ; décembre 2004 pour le versant et novembre 2005 pour l’oued Kamech. Elles sont chacune équipées de :
• deux capteurs de hauteurs d’eau permettant une estimation du débit avec une précision optimisée selon l’intensité du ruissellement ;
• un préleveur échantillonneur de 24 flacons pour la mesure des flux de Matières En Suspension (MES) ;
• une centrale Campbell permettant de recueillir les mesures et de piloter les prélèvements
Ce dispositif expérimental a été conçu également pour compléter celui du lac collinaire situé à l’exutoire du bassin versant, opérationnel depuis 1994. Il comprend trois pluviographes à augets basculeurs (0.5 mm) répartis sur le bassin versant, onze pluviomètres, un réseau de plus de 20 piézomètres équipés de sonde automatique, une station météorologique, une tour à flux et deux stations agro-climatologiques complètes.

Equipements lac

Le lac collinaire de Kamech est équipé d’une échelle limnimétrique, d’un pluviomètre journalier, d’un bac à évaporation (Classe A type Orstom, de 1 m2 et enterré sur une profondeur de 60cm) et de deux centrales d’acquisition automatique de données. La première est reliée à un capteur pluviométrique à augets basculeurs (0,5 mm de pluie) et la seconde à une sonde immergée mesurant le niveau de l’eau au cm près et sa température. L’évacuateur de crues est aménagé pour disposer d’un seuil déversant permettant l’estimation des débits Cette plate-forme d’acquisition automatique de données hydro pluviométriques a été équipée d’une balise ARGOS pour la télétransmission de données. La réception des données en temps quasi réel permet de connaître les événements pluvieux et d’intervenir à bon escient pour des mesures de débits ou pour des prélèvements. Elle permet aussi une télésurveillance et des interventions de maintenance à la moindre défaillance. Deux autres pluviographes automatiques permettent une bonne connaissance des intensités et durées des pluies dans le bassin versant. Onze pluviomètres complètent l’équipement pluviométrique du bassin. Les stations de bilan hydriques des cultures comprenant une parcelle de ruissellement, un tube d’accès pour sonde à neutrons et trois tensiomètres sont installés près de chaque pluviomètre (Hamdi et al., 2010).

Protocole de mesure

Les mesures hydrologiques et leurs précisions

Observation des pluies

Un réseau de pluviomètres et de pluviographes dont le nombre dépend de la taille du bassin et de la répartition spatiale des averses, est conçu pour recueillir l’information pluviométrique (Figure 5). Un observateur permanent assure les relevés journaliers des pluviomètres. Les pluviographes sont connectés à des centrales d’acquisition déchargées régulièrement en période pluvieuse. Ces enregistrements vont permettre le calcul de l’intensité de la pluie en mm/h au pas de temps voulu.

Mesure des débits liquides

Le principe de la mesure des débits liquides consiste à observer ou enregistrer les hauteurs d’eau soit par des lectures directes d’une échelle limnimétrique, soit par un enregistreur automatique, puis à transformer les hauteurs d’eau mesurées en débits liquides par l’intermédiaire de courbes d’étalonnage. L’enregistrement des hauteurs d’eau étant réalisé en continu, il est possible d’obtenir des chroniques de débits liquides sur toute la durée des périodes d’observation.

Mesure du transport solide

Le principe de mesure des débits solides est complètement différent car il n’existe pas de système fiable de mesure en continu des turbidités. Il est donc basé sur la prise d’échantillons d’eaux turbides au cours des crues soit manuellement, soit par l’intermédiaire d’un capteur relié à une pompe. Les échantillons d’eau sont ensuite filtrés au laboratoire, les matières solides retenues par les filtres sont pesées après séchage et les volumes échantillonnés sont mesurés de manière à déterminer, pour chaque échantillon, la concentration en matières solides contenues dans les volumes échantillonnés. Chaque échantillon étant identifié lors de son prélèvement par le lieu de prélèvement, la date et l’heure du prélèvement, ainsi que la côte lue à l’échelle limnimétrique, il est possible d’associer à chaque prélèvement un débit liquide et une position au cours de la crue ou de la décrue. La difficulté de cette méthode consiste à réaliser suffisamment de prélèvements pour caractériser l’évolution des concentrations au cours d’une crue. Les prélèvements étant généralement en nombre insuffisant, il est souvent nécessaire d’interpoler entre des valeurs observées et d’établir des relations entre concentrations en matières solides et débits liquides. Malheureusement ces relations sont très instables d’une crue à l’autre, de telle sorte que les mesures de transport solide sont beaucoup moins précises que les mesures du débit liquide.

Caractérisation des états de surface

Les observations hydrologiques sont couplées à des descriptions d’états de surface du sol, du couvert végétal et de l’humidité du sol, afin de préciser les paramètres pédologiques superficiels qui conditionnent les processus de ruissellement et d’érosion.

Critères d’attribution d’un état de surface pour chaque crue

Les états de surface relèvent de nombreuses caractéristiques des parcelles cultivées.
Le travail a dans un premier temps consisté à attribuer à chaque crue enregistrée aux stations hydrologiques les caractéristiques d’un état de surface donné. Les états de surface sont réalisés en moyenne une à deux fois par mois ; or les événements pluvieux sont dans la plupart des cas très concentrés et rapprochés dans le temps.
Les critères d’attribution d’un état de surface sont, pour une crue située dans le temps entre l’état de surface 1 et l’état de surface 2 :
– Le labour
Lorsqu’un labour survient entre les deux états de surfaces, nous attribuons à la crue les caractéristiques de l’état de surface 1 si elle a eu lieu avant le labour et de l’état de surface 2 si elle a eu lieu après.
– Les pluies journalières de plus de 30 mm
Nous choisissons l’état de surface qui a connu le moins de pluies de ce genre entre l’état de surface et la date de la crue :
*Le cumul de pluie entre la crue et chaque état de surface.
*L’intensité des pluies entre la crue et chaque état de surface.
*Le nombre de jours écoulés entre la crue et chaque état de surface.

Élaboration des indicateurs des états de surface

Les indicateurs ont été synthétisés en 3 classes principales (Tableau 1), avec un système de notation propre :
– L’état de couverture du sol, principalement dicté par le couvert végétal, de 0 (aucune protection) à 2 (bon couvert).
– La rugosité du sol, principalement dictée par les seuils d’écoulement (dénivelé moyen entre les points bas et les cols dans le sens d’un écoulement), de 0 (sol lisse) à 4 (très bonne capacité de flaquage).
– La fermeture de la surface, définie par le faciès, la présence de croûte et de fentes de retrait, de 0 (surface fermée) à 3 (sol fraîchement labouré, sans croûte de battance).

Table des matières

Introduction Générale
A) Contexte et problématique
B) Objectifs
C) Plan de la thèse
Chapitre 1 : Répartition des processus de l’érosion dans le temps et dans l’espace : Etat de l’art
1.1. Introduction Chapitre 1
1.2. Notions sur le ruissellement et l’érosion hydrique
1.2.1. Notions sur le ruissellement
1.2.2. Notions sur l’érosion hydrique
1.2.2.1. Principaux facteurs de l’érosion hydrique
1.2.2.2. Différentes formes de l’érosion hydrique
1.3. Comportement hydro-érosive des vertisols
1.4. Analyse spatiale et temporelle des processus de l’érosion hydrique
1.5. Différentes approches de quantification de l’érosion hydrique
1.5.1. Mesures directes
1.5.1.1. Mesures topographiques
1.5.1.2. Parcelles d’érosion
1.5.1.3. Mesures par l’étude des dépôts sédimentaires
1.5.2. Mesures indirectes
1.5.2.1. Utilisation de l’imagerie satellitale
1.5.2.2. Modélisation
1.5.2.3. Traçage des sources de sédiments
1.6. Conclusion chapitre 1
Chapitre 2 : Matériels et méthodes
2.1. Introduction chapitre 2
2.2. Cadre général de l’étude
2.2.1. Localisation géographique
2.2.2. Climat
2.2.3. Géologie et géomorphologie
2.2.4. Pédologie
2.2.5. Hydrographie et topographie
2.2.6. Occupation des sols
2.3. Dispositif expérimental
2.3.1. Parcelle (P1)
2.3.2. Ravine (P2+G)
2.3.3. Micro bassin ou Versant (MC)
2.3.4. Station Oued (O)
2.3.5. Equipements
2.3.5.1. Equipements stations
2.3.5.2. Equipements lac
2.4. Protocole de mesure
2.4.1. Les mesures hydrologiques et leurs précisions
2.4.1.1. Observation des pluies
2.4.1.2. Mesure des débits liquides
2.4.1.3. Mesure du transport solide
2.4.2. Caractérisation des états de surface
2.4.2.1. Critères d’attribution d’un état de surface pour chaque crue
2.4.2.2. Élaboration des indicateurs des états de surface
2.4.2.3. Elaboration de l’indice de sensibilité à l’érosion
2.4.2.4. Les fentes de retrait
2.5. Données disponibles de mesure
2.5.1. Données de pluie
2.5.1.1. Hauteurs d’eau précipitées
2.5.1.2. Intensités maximales
2.5.1.3. Durées
2.5.1.4. Intensités moyennes
2.5.1.5. Cumul des pluies
2.5.1.6. Indice des pluies antérieures
2.5.2. Données du ruissellement
2.5.2.1. Débits max spécifiques
2.5.2.2. Volumes ruisselés
2.5.2.3. Lames ruisselées
2.5.2.4. Coefficients de ruissellement
2.5.3. Données de l’érosion
2.5.3.1. Masses érodées spécifiques (en t/ha)
2.5.3.2. Concentrations moyennes (en g/l)
2.6. Approche méthodologique générale
2.6.1. Analyse de l’impact des fentes de retrait sur les processus hydro érosifs
2.6.2. Analyse temporelles et spatiales des flux hydro érosifs
2.6.3. Traçage des sources de sédiments (poids relatif diffus/concentré à l’échelle événementielle)
2.6.4. Justification de l’utilisation de la modélisation
2.7. Prétraitement des données expérimentales
2.7.1. Les principes de reconstitution des données manquantes
2.7.2. Analyse de la fiabilité des mesures
2.7.3. Reconstitution des données manquantes des flux hydrologiques
2.7.4. Reconstitution des données manquantes des flux érosives
Chapitre 3 : Effet des fentes de retrait sur les processus hydro-érosifs : Cas d’étude dans un milieu méditerranéen vertique Soil cracking effects on hydrological and erosive processes: a study case in Mediterranean cultivated vertisols
Résumé
Abstract
3.1. Introduction
3.2. Materials and method
3.2.1. Study area
3.2.2. Data acquisition
3.2.2.1. Hydrological and sediment measurement at the catchment scale
3.2.2.2. Hydrologic and sediment measurements at the field scale
3.2.2.2.3. Crack monitoring at the field scale
3.2.2.2.4. Crack monitoring at the catchment scale
3.2.3. Methodology approach
3.2.3.1. Topsoil crack dynamics at the field scale
3.2.3.2. Cracks’ effects on runoff and soil erosion at the field scale
3.2.3.3. Cracks’ effects on runoff and soil erosion at the catchment scale
3.3. Results and discussion
3.3.1. Topsoil crack dynamics at the field scale
3.3.1.1. Seasonal dynamics of topsoil cracks
3.3.1.2. Drivers of the presence of topsoil cracks
3.3.2. Cracks’ effects on runoff and soil erosion at the field scale
3.3.2.1. At the event scale
3.3.2.2. At the annual and monthly scales
3.3.3. Cracks’ effects on runoff and soil erosion at the catchment scale
3.4. Conclusions
Acknowledgments
Chapitre 4 : Variabilité des processus de ruissellement et d’érosion à différentes échelles de temps et d’espace dans un petit bassin versant méditerranéen marneux Temporal and spatial dynamics of runoff and erosion processes across scales in a small Mediterranean marly catchment
Résumé
Abstract
4.1. Introduction
4.2. Materials and methods
4.2.1. The study area
4.2.2. Instrumental set-up and available data
4.2.3. Database
4.2.4. Methodology approach
4.3. Results
4.3.1. Temporal variability of hydrological and erosive processes
4.3.1.1. At an event-based timescale
4.3.1.2. At a monthly timescale
4.3.2. Spatial variability of hydrological and erosive processes
4.3.2.1. Runoff
4.3.2.2. Soil erosion
4.3.3. Erosion processes contributions
4.3.3.1. The sediment mixing model
4.3.3.2. Relative gullies contributions to sediment load
4.4. Discussions
4.4.1. Analysis of temporal variability of runoff and soil erosion
4.4.2. Analysis of spatial variability of runoff and soil erosion
4.4.3. Analysis of erosion processes sources
4.5. Conclusions
Chapitre 5 : Évaluation de la variabilité temporelle des processus érosifs actifs par recours au traçage des sources de sédiments
5.1. Introduction chapitre 5
5.2. Matériel et méthode
5.2.1. Sites d’étude et mesures hydro-érosives
5.2.2. Stratégie d’échantillonnage des sources et des sédiments en suspension
5.2.3. Choix des traceurs
5.2.4. Correction granulométrique des échantillons
5.2.5. Modèle de mélange « mixing model » et estimation des incertitudes
5.3. Résultats
5.3.1. Description des événements hydrologiques échantillonnés
5.3.2. Principales caractéristiques des échantillons prélevés
5.3.3. Contributions des processus érosifs pour chacune des stations de mesure
5.3.3.1. Analyse inter-événementielle
5.3.3.2. Analyse inter-échelle
5.4. Conclusion chapitre 5
Chapitre 6 : Paramétrisation du modèle MHYDAS au contexte des fentes de retrait : Application à l’échelle de la parcelle
6.1. Introduction chapitre 6
6.2. Matériels et méthode
6.2.1. Zone d’étude
6.2.2. Présentation du modèle Mhydas
6.2.3. Choix des événements ruisselants pour la procédure de calage
6.2.4. Critère d’évaluation statistique
6.2.5. Stratégie de paramétrisation
6.2.5. Facteurs explicatifs de l’évolution des paramètres optimaux
6.3. Résultats
6.3.1. Calage du modèle et comparaison entre les hydrogrammes simulés et observés pour les crues fiables
6.3.2. Test de significativité de Ks et de Sf en fonction de présence ou absence des fentes de retrait (Kruskal Wallis test)
6.3.3. Analyse des évolutions de Ks et de Sf au cours de l’année hydrologique
6.3.4. Effet des états de surface du sol
6.3.5. Effet de la rugosité du sol
6.3.6. Effet des pluies antécédentes
6.4. Conclusion chapitre 6
Conclusions générales et perspectives
A) Conclusion générale
B) Perspectives
Liste des références bibliographiques
ANNEXE 1 Organigrammes de Reconstitution des Taux d’érosion pour les différentes stations de mesure
ANNEXE 2 Quelques exemples des hydrogrammes calés

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