L’envasement des barrages

Erosion et transport solide

Le Maghreb est l’une des régions les plus vulnérables au monde à l’érosion des sols ; en raison de son climat semi-aride, de la présence de relief abrupt et de la pauvreté de la végétation. L’ampleur de l’alluvionnement et l’exhaussement du fond des barrages par dépôts successifs des sédiments ramenés par les cours d’eau maghrébins, ont suscité l’intérêt d’un grand nombre de chercheurs qui ont tenté d’expliquer les mécanismes complexes du transport solide et de quantifier les volumes des sédiments transportés. Dans ce contexte, on notera les travaux de Tixeront (1960); Heusch (1982); Milliman et Meade (1983); Sogreah (1983); Walling (1984); Lahlou (1990) et plus récemment Probst et Amiotte (1992) qui ont tenté d’expliquer l’érosion mécanique et de déterminer les dégradations spécifiques des bassins versants de ces régions. D’autre part Ghorbel et Claude (1977) ; Rais et Abidi (1989) ; Albergel et al. (1998) ; Snoussi et al. (1990), Merzouki (1992) ; Moukhchane et al. (1998) ; Demmak (1982); Bourouba (1996,1998) ; Touaibia (2000); Terfous et al. (2001) ; Ghnim (2001) ; Megnounif et al. (2000), ont présenté en conclusion de leurs travaux des informations significatives sur le flux des matières transportées par les cours d’eau de quelques bassins versants Tunisiens, Marocains et Algériens. Le volume de matériaux qui se déposent chaque année dans les retenues des barrages algériens sont évalués, en moyenne à 32 millions de m3 par an (Remini et al., 2005), des 114 barrages en exploitation (Mekerta et al., 2008).

L’érosion hydrique

L’érosion des sols par la pluie et le ruissellement est un phénomène largement répandu dans les différents pays de la Méditerranée, qui continue à prendre des proportions considérables en particulier sur les pentes à cause de la nature torrentielle des pluies, de la forte vulnérabilité des terrains (roches tendres, sols fragiles, pentes raides et couvert végétal souvent dégradé), du surpâturage et de l’impact défavorable des activités humaines: déforestation, incendies, mauvaise conduite des terrains agricoles, urbanisme chaotique, exploitation des carrières, etc. Selon les études de la FAO (1990), la situation continue à se détériorer : ainsi, sont affectées par l’érosion hydrique : en Grèce 35 % des terres, au Maroc 40 % et en Turquie 50 % (Celic et al., 1996). En Tunisie, 45 % de la superficie du pays est menacée par l’érosion (Chevalier et al., 199; Boussema, 1996) et en Algérie, 45 % des zones telliennes, soit 12 millions d’hectares (Chebbani et al., 1999). Ces chiffres dépassent ce que la pédogenèse peut produire dans les conditions climatiques actuelles. En effet, les seuils de tolérance de l’érosion sous un climat humide tempéré varient entre 2,5 tonnes/ha/an pour un sol superficiel et 12,5 tonnes/ha/an pour un sol profond, de texture équilibrée et moyennement perméable (USDA,1951; Klingebiel et Montgomery, 1996). Mais cette tolérance doit être moindre dans les pays méditerranéens car :  La pédogenèse est beaucoup plus lente sous climat à aridité estivale accentuée et à saison sèche très longue,  les sols sont le plus souvent superficiels et les taux d’altération sont relativement bas,  Les terres cultivables sont peu étendues et diminuent chaque année en étant urbanisées. L’érosion hydrique affecte les terres lors des orages exceptionnels (Photo 1.1), des coulées boueuses et des inondations. Les dégâts observés se traduisent par une baisse des rendements des cultures, un atterrissement des sédiments érodés dans les zones urbaines, une réduction de la superficie des sols agricoles, une accélération du taux d’envasement des réservoirs réduisant ainsi la quantité et la qualité des eaux disponibles, une aggravation des coulées boueuses qui mettent en péril les infrastructures humaines et une désertification du milieu naturel (FAO, 1980). Chapitre 1 Erosion et transport solide 7 Thèse : Contribution à l’étude de l’envasement des barrages par les méthodes paramétriques et non paramétriques Cas de l’Afrique du Nord Photo 1.1 : Sols nus très vulnérables à l’èrosion Bassin Bou-Hanifia (Source : Tescult) Le diagramme de Hjulström (Figure 1.1) permet de connaître l’activité d’une particule détritique en fonction de la vitesse du courant dans l’eau (mer, cours d’eau) où elle se trouve, et en fonction de sa taille. On peut donc définir l’activité des particules, à savoir s’il y a érosion, transport ou dépôt, en fonction de leur taille et de la vitesse du courant. Figure 1.1 : Diagramme érosion, transport, sédimentation. Hjulstrom (1935). 

Facteurs de l’érosion hydrique

L’érosion hydrique qui affecte les sols méditerranéens est fonction de multiples facteurs qui, selon Morgan (1986), semblent être les même partout dans le monde. 

Le climat

En Algérie sur des parcelles peu couvertes, pendant les orages d’automne, le ruissellement journalier maximal a dépassé 19 à 32 % et jusqu’à 70-85 % des averses importantes en hiver, sur des sols détrempées (Arabi et Roose, 1989). Durant le reste de l’année sévit une période sèche. Ces averses de fréquence rare tombant sur des sols déjà saturés et de faible épaisseur sont à l’origine de la formation des ravines, de l’apparition des mouvements de masse et d’inondations. Lors d’averses exceptionnelles, le ruissellement des sols limoneux encroûtés en permanence peut augmenter de 15 % à 60- 90 %. Les ravines acquièrent des tailles de l’ordre du mètre et les mouvements de masse sont importants lorsque les roches argileuses affleurent ; ils se produisent fréquemment dans les zones caractérisées par les tremblements de terre, failles ou surélevèrent très répandu dans le bassin méditerranéen (Almeida et al., 1991; Khawlie, 2000). Ces inondations sont caractérisées par des charges de sédiments qui peuvent atteindre 40 % du volume du ruissellement (Conesa, 1990).

La végétation

L’érosion des sols est fortement contrôlée par la couverture végétale dont dépend la production de la biomasse. Les sols sous forêts bien entretenues sont considérés comme non sensibles à l’érosion hydrique, car la litière et les végétations basses favorisent l’infiltration (Roose, 1994). Le sol soumis au pâturage intensif se tasse, devient plus compact, sa perméabilité diminue et le ruissellement de l’eau s’accroît ce qui entraîne des pertes de terre considérables et aboutit à la formation de profondes ravines lorsqu’il atteint des terres cultivées. 1.3.3. L’utilisation des terres L’intensité de l’érosion hydrique des sols est affectée significativement par les activités humaines qui augmentent ou diminuent les pertes en terre. Les incendies répétés et le déboisement illégal détériorent les forêts existantes. Ceci favorise fortement le ruissellement et aboutit à une forte érosion par la suite. Mais après les incendies, la colonisation par les plantes réduit l’érosion des sols. La mise en culture d’un sol le rend sensible à l’érosion, cela dépend de la nature de la plante cultivée et des techniques culturales. Sous verger, l’érosion est intense comme un sol nu (Roose, 1993) ; sous maïs planté en terrasses, elle est moindre que s’il est planté en ligne dans le sens de la plus Chapitre 1 Erosion et transport solide 9 Thèse : Contribution à l’étude de l’envasement des barrages par les méthodes paramétriques et non paramétriques Cas de l’Afrique du Nord grande pente (Nahal, 1984); et pour des cultures peu denses, elle est plus intense que pour des cultures denses (Browing, 1948 cité par Nahal, 1975). L’alternance culture-légumineuses atténue l’érosion du sol d’une manière spectaculaire ; ainsi en Algérie, en associant du blé à des fèves, la perte en terres diminue de 1,5 tonnes/ha (sur sol nu travaillé) à 0,3 tonnes/ha (Arabi et Roose, 1989). Les semis très battus ou chantiers de récolte très roulés (rugosité nulle), accroissent les risques d’érosion, au contraire, du déchaumage avec résidus abondants ou labour (rugosité forte). Les résidus de récolte jouent le rôle d’éponge et créent une rugosité qui divise, ralentit et étale les écoulements dans le temps. Des recouvrements de 15 à 25 % de résidus de récolte diminuent l’érosion de 60 à 75 % par rapport au sol nu (Lattanzi et al., 1974). Le paillage est pratiquement inexistant dans la plupart des pays méditerranéens car toute la biomasse disponible est utilisée par le bétail. Par le développement d’une couverture végétale permanente, l’abandon des terres cultivées aboutit à réduire les taux d’érosion en rigoles mais par contre l’érosion par ravinement peut devenir très importante quand les terres sont pâturées régulièrement (Quine et al., 1994; Poesen et al., 1998a). L’extension des cultures sous serre et les travaux de préparation du sol nécessaires pour leur construction provoquent des taux de dénudation locaux importants et soumettent les sols à l’érosion. Une fois installées, les serres peuvent concentrer le ruissellement d’une manière spectaculaire (Bou Kheir, 1998). L’urbanisation peut accroître sensiblement les risques d’érosion : le CEMAGREF (1986) donne des valeurs moyennes des coefficients de ruissellement : 0,05 pour les espaces boisés ; 0,10 pour les terres cultivées ; 0,35 pour les habitations individuelles denses ; 0,50 pour les habitations collectives ; 0,60 pour les zones industrielles. Les terrasses dans les régions montagneuses ne protègent le sol contre l’érosion que si elles sont bien entretenues : en Algérie, entre 1945 et 1985, plus de 50 % d’entre elles ont été dégradées par manque d’entretien (Roose, 1999). 1.3.4. La topographie L’eau de pluie cause une érosion grave sur les pentes fortes. En Algérie les ruissellements moyen et maximal diminuent lorsque la pente augmente (Arabi et Roose, 1992). L’exposition des pentes peut avoir une importance, car sur celles exposées au sud qui ont une faible couverture végétale, l’érosion est très élevée. Sur les pentes  concaves, l’érosion est la moins intense et sur les pentes convexes, la perte de terre est plus grande que sur les pentes rectilignes (Roose, 1999). La longueur de la pente est moins importante que son gradient et sa forme, mais à précipitation égale, il s’accumule sur une pente plus longue un plus grand volume d’eau et le temps d’absorption par le sol est plus grand sur les parcelles longues que sur les parcelles courtes. 

Les sols

Les caractéristiques des sols qui permettent de déterminer le degré de sensibilité à l’érosion hydrique sont les suivantes : la profondeur, la porosité, la granulométrie, la teneur en matière organique, la nature minéralogique des argiles, l’infiltrabilité et la cohésion. La résistance à l’érosion hydrique est plus faible pour les sols superficiels que pour les sols profonds (Ryan, 1982) car dès que le sol peu épais est saturé par la pluie, il y’a glissement de terrains, même sur pente très faible. Plus de 60 % Dans les sols méditerranéens comportent des fragments de roches dans l’horizon superficiel (Poesen, 1990). Ces fragments réduisent l’érodibilité: protection contre l’impact des gouttes de pluie et diminution de la vitesse du ruissellement réduisant sa capacité de détachement et de transport. La suppression de cette couverture caillouteuse peut augmenter l’érosion de 1/3 à 3 (Nyssen et al., 1999). Les sols contenant des fragments de roches dont la taille est supérieure à 40 mm sont plus sensibles à l’érosion que les sols graveleux contenant des fragments de roches de 2 à 40 mm (Poesen et al., 1994). La position, la taille et le taux de couverture des éléments grossiers augmentent le volume total d’infiltration. La matière organique réduit les risques d’érosion à court terme : maintenue en surface, elle protège le sol de l’énergie des pluies et du ruissellement, mais enfouie, elle ne réduit nettement ni le ruissellement ni l’érosion (Roose, 1994; Barthè et al., 1998). En région méditerranéenne, les sols riches en argiles saturés en calcium sont résistant à la battance mais sensibles au ravinement. La stabilité du sol augmente si le sol reste faiblement humide pendant plusieurs jours et inversement diminue lorsqu’il reste proche de la saturation. Selon Heusch (1970), l’érosion n’est proportionnelle ni à la hauteur des pluies, ni à leur énergie cinétique, mais est fonction de la somme des énergies érosives dont l’énergie des eaux ruisselantes est la principale composante. 

La lithologie

Les divers types de roches et leurs structures donnent une indication précieuse sur la capacité d’infiltration des zones occupées par les roches et par les sols et en conséquence sur la quantité de sol susceptible d’être érodée. Plusieurs paramètres déterminent la capacité d’infiltration : la lithologie, les failles, les linéaments, le karst et la densité de drainage. Une faible infiltration des roches affleurantes indique qu’une grande quantité d’eau ruisselle, par conséquent, une forte quantité de terre peut être emportée. En Algérie, Demmak (1982,1984) a montré que les transports solides d’un bassin versant dépendaient de sa surface en roches de différents types (argileuses, marneuses, schisteuses, etc.)

Sensibilité des différents facteurs de l’érosion hydrique

Pour la détermination de la quantité de la terre érodée, les différents facteurs qui commandent l’érosion hydrique des sols ne sont pas d’égale importance vis-à-vis de la détermination de la quantité de terre érodée (Lenthe et Krone, 1981; Morgan, 1986). Dans l’équation universelle de perte en terre, Wischmeier et Smith (1978) ont attribué une grande importance à l’indice topographique LS qui varie de 0,1 à plus que 20, tandis que les autres facteurs K (érodibilité du sol), C (occupation et utilisation des terres) et P (pratiques de conservation) apparaissent de moindre importance : variant chacun de 0 à 1. Pour Roose et al. (1993), la pente n’est pas le facteur essentiel du risque érosif : les risques d’érosion en nappe sont très faibles malgré des versants très raides (10 à 45%) et le ruissellement diminue lorsque la pente augmente car les pellicules de battance sont incisées par l’eau ce qui facilite son infiltration. Ils indiquent que les pentes en région méditerranéenne sont liées à la lithologie et au type du sol; sur les roches dures (grés, calcaire durs) et pentes fortes, les sols résistent à l’érosion et les transports solides sont faibles tandis que sur les roches tendres (argiles, marnes) sur pentes plus douces, les sols sont fragiles. La pente a donc un impact très variable selon la région où on se situe. Selon Poesen et al. (1996b), c’est la stabilité des agrégats des sols qui a le plus grand impact sur l’érodabilité des sols au niveau du millimètre ou du mètre, tandis que c’est le développement des croûtes qui a le poids le plus grand au niveau du mètre ou de la centaine de mètres. Chapitre 1 Erosion et transport solide 12 Thèse : Contribution à l’étude de l’envasement des barrages par les méthodes paramétriques et non paramétriques Cas de l’Afrique du Nord 1.4. Les formes de l’érosion hydrique L’érosion hydrique est un processus majeur de dégradation de terrains en zone méditerranéenne, qui constitue une des clés de la désertification (UNEP, 1994). Il existe plusieurs formes d’érosion hydrique :

Érosion en nappe

Elle se produit lorsque l’écoulement et l’érosion se font sur toute la surface du sol (Photo 1.2), ce qui provoque une usure homogène non perceptible dans la majorité des cas. Quantitativement, l’érosion en nappe est très modeste. En Algérie, les chercheurs de l’INRF et de l’OROSTOM ont évalué les pertes en terres par ce type d’érosion de 0,10 à 20 t/ha/an (Chebbani et al., 1999). Ce type d’érosion entraîne des conséquences morphologiques et pédologiques fâcheuses suite à un décapage de l’horizon superficiel diminuant insidieusement sa réserve en éléments fertilisants et un entraînement préférentiel des particules les plus fines, de la matière organique et du carbonate de calcium. Photo 1.2 : Érosion en nappe (Photo Roose) On observe l’évolution de l’érosion en nappe au sommet, en rigoles et en ravines sur les fortes pentes tandis que l’oued attaque le pied de la colline.

Érosion linéaire

Elle se manifeste lorsque la concentration des eaux conduit à la formation de chenaux de dimension croissante : griffes (quelques centimètres de profondeur), rigoles (incision dans la couche labourée), ravines (incision dépassant la couche labourée). Chapitre 1 Erosion et transport solide

Érosion en griffes et rigoles

Elle se produit lorsque l’écoulement d’eau se concentre et choisit son passage. Dès qu’une griffe s’établit, l’eau de ruissellement tend à se réunir, et plus elle se creuse plus il y a appel d’eau dans la rigole (Photo 1.3). Ainsi le phénomène de creusement s’accélère de lui-même. De point de vue quantitatif, ce type d’érosion reste dans les mêmes proportions que l’érosion en nappe. Photo 1.3 : Érosion en griffes et rigoles (Source : Roose) 

Érosion par ravinement

Les ravines suivent la ligne de plus grande pente des versants (Photos 1.4 et 1.5). Puisque le ruissellement provenant des versant peut atteindre 50 à 80% durant les averses exceptionnelles tombant sur les terres battues ou compactées, l’essentiel du transport solide provient des ravines et des oueds (Heush, 1970 ; Arabi et Roose,1992).