FONCTIONNEMENT HYDROLOGIQUE D’UN PETIT BASSIN VERSANT VOLCANIQUE TROPICAL

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Spécificités du contexte tropical et du milieu cultivé

Le milieu tropical humide

Le climat tropical humide ou équatorial est un typede climat intertropical, principalement centré autour de l’Equateur. D’après la classification de Köppen (Peel et al., 2007), la température est relativement constante et élevée toute l’année avecdes moyennes mensuelles supérieures à 18°C. Les pluies annuelles sont d’environ 2 000 mm an -1 et dépassent l’évapotranspiration annuelle. La saison sèche peu marquée est caractérisée par des pluies ensuellesm supérieures à 60 mm. Ce climat est généralement associé à une végétation dense notamment dans les régions forestières et à des sols évolués très perméables. En découlent des spécificités sur les processus hydrologiques aussi bien au niveau des processus régis par le couvert végétal ueq de ceux issus du partage ruissellement-infiltration.
Une synthèse sur les processus hydrologiques dans un contexte tropical humide est proposée aux deux échelles de la parcelle et du bassin versant,ainsi qu’aux échelles de la crue et du bilan annuel. Le Tableau 1-1 résume les caractéristiques et les principaux rocessusp hydrologiques évoqués dans cette section pour différents bassins d’étude.

Influence de la végétation

Dans une revue sur les processus d’interception et de redistribution de la pluie par le couvert, Crockford et Richardson (2000) rapportent que l’interception en zone tropicale constitue entre 8,9 et 39 % de la pluie selon le type de végétation. Cependant, l’essentiel des données concernant les études sur la répartition de la pluie par la végétation est focalisée sur les forêts tropicales dont la surface foliaire ainsi que l’épaisseur de canopée assurentune interception allant jusqu’à 50 % de la pluie incidente annuelle, soit 1 800 mm an-1 (Schellekens et al., 2000). Les valeurs de stemflow données par Crockford et Richardson (2000) sont inférieures à 2 % de la pluie et concordent avec l’essentiel des données recensées par Levia (2003) et Llorens et Domingo (2007) dans d’autres climats de type tempéré et méditerranéen et pour des plantes arbustives n’ayant pas une structure canalisant la pluie sur le tronc. Ainsi, l’effet modéré de la redistribution de la pluie sous climats tempérés est renforcé sous climat tropical humide en raison des pluies abondantes.

Processus d’écoulement à l’échelle de la parcelle

Elsenbeer (2001) propose une classification des types d’écoulement d’eau en forêt tropicale selon deux types de sols évolués : les acrisols et les ferralsols (WRB, 2006) (Figure 1-6). Les acrisols, ou sols ferralitiques fortement ou moyennement désaturés selon la classification française, ont à la base du profil un niveau plus argileux qu’en surface (résultant d’une migration des argiles vers la profondeur). Les ferralsols ou sols ferralitiques classiquement profonds et lessivés en profondeur possèdent des limites d’horizons plus diffuses.
D’après le schéma de Elsenbeer (2001) (Figure 1-6), les acrisols favorisent les écoulements latéraux de type subsurface (SSSF) alors que les ferralsols favorisent les écoulements verticaux de percolation. Ce schéma volontariste dans la généralisation des processus de crue en forêt se vérifie globalement pour les deux sites ECEREX B et F (Tableau 1-1), mais peut s’avérer toutefois inexact selon le type de couvert (Ziegler et al., 2004b), selon les variabilités latérales de faciès, ou encore selon la variabilité de la profondeur du substratum (Bruijnzeel, 1983a). De plus, ce schéma est limité aux sols évolués et ne prend pas en compteesl sols jeunes comme les andosols d’origine volcanique.
Par ailleurs, bien que les sols soient infiltrants > 20 mm h-1 (Tableau 1-1), les écoulements de surface de type hortonien (HOF) ne doivent pas êtrenégligés, notamment en contexte cultivé (Fritsch, 1992; Cattan et al., 2006). Pour autant, lors du changement d’échelle vers le bassin versant, le HOF observé à l’échelle locale n’est pas forcément un processus de crue dominant à l’échelle du bassin (Roose, 1977). En effet, sur les bassins présentésTableau 1-1, certains auteurs observent sur les hauts de versants du HOF qui se réinfiltre avant d’atteindre le réseau (Fujieda et al., 1997; Elsenbeer et Vertessy, 2000). On peut d’ailleurs penser que cette réinfiltration favorise la montée de la nappe en fond de vallée et/ou d’une nappe perchée dans le bas de versant, expliquant alors les fortes composantes de SSSF et de SOF (sur surface saturée).

Processus d’écoulement à l’échelle du bassin

A l’échelle de la crue

A l’échelle du bassin versant, de manière similaireau schéma d’Elsenbeer (2001) (Figure 1-6), les processus dominants de crue peuvent être classés endeux catégories selon le profil de conductivité hydraulique du sol (cf Tableau 1-1) :
(i) les bassins dont la conductivité hydraulique dusol décroît très fortement avec la profondeur. Le profil de sol type est généralement d’une profondeu de moins d’1 m et se compose d’un horizon de
surface très perméable favorisant l’infiltration (valeur de 200 à plus de 1 000 mm h -1) et d’un horizon sous-jacent peu perméable (quelques mm h ) limitant la percolation et favorisant les écoulements latéraux de subsurface. Les processus dominants sont alors le SSSF dans les versants et le SOF, qui peut être associé au SSSF, par la montée d’une nappe perchée qui atteint la surface topographique en bas de versant. La quasi-totalité des travaux en milieu forestier rapportent ce type de fonctionnement en période de crue comme au bassin de South Creek,Queensland, Australie (Bonell et Gilmour, 1978; Bonell et al., 1981), au bassin de Palma en Dominique (Walsh, 1980), au Cunha Forest, Brésil (Fujieda et al., 1997), au bassin de La Cuenca, Pérou (Elsenbeer et Lack, 1996; Elsenbeer et Vertessy, 2000), ou au bassin de Bisley II, Porto Rico (Schellekens et al., 2004).

A l’échelle du bilan annuel

Si de nombreuses études portent sur les processus de crue sur de petits bassins tropicaux (moins de 150 ha), peu de références font état de bilans annuels et du fonctionnement global de bassin. Dans cette revue bibliographique sont cités quatre bassins versants forestiers sur sols perméables en Indonésie (Bruijnzeel, 1983a), au Brésil (Lesack, 993;1 Fujieda et al., 1997), et au Panama (Kinner et Stallard, 2004) pour lesquels des bilans hydrologiques annuels ont été déterminés. Globalement, le bilan est essentiellement partagé entre l’évapotranspiration et le ruissellement, les flux de ruissellement étant largement dominés par le débitde base. Ces résultats signifient que les transfert souterrains sont majoritaires et limités en profondeur à un réservoir superficiel dont l’exutoire principal est le réseau hydrographique. Ces bassinsversants sont des systèmes sans pertes importantes avec des écoulements souterrains inter-bassins a priori faibles.

Processus spécifiques au milieu cultivé

Le contexte cultivé, par rapport au contexte dit naturel, répond à une modification des caractéristiques du milieu à l’interface sol-plante, et engendre une organisation de l’espace dû à l’aménagement anthropique pour les besoins de l’agriculture. L’agriculture modifie le fonctionnement hydrologique des bassins en agissant principalement sur deux niveaux d’organisation des écoulements : le partage ruissellement-infiltrationà la surface du sol lié au type de couvert végétalet aux pratiques culturales, et la propagation du ruissellement liée au réseau des fossés, chemins, talus, haies, etc. L’unité d’étude de l’occupation du sol est la parcelle, et l’unité d’étude du réseau anthropique est le bassin versant.

Rôle du couvert végétal, le cas de la banane

Le bananier est une plante dont les larges feuilles et la structure en entonnoir favorisent une forte variabilité spatiale de la redistribution de la pluie incidente au sol. L’illustration présentée par Roose et al. (1999) (cf Figure 1-7) montre bien l’allure en entonnoir du bananier qui sépare les écoulements en deux chemins d’eau : le stemflow qui concentre la pluie au pied de la plante, et le throughfall qui forme un égouttage en bord des larges feuilles quifont un effet parapluie.
A Sainte-Lucie, Harris (1997) a mesuré les différents termes de redistribution de la pluie par le bananier. Le throughfall et le stemflow représenten respectivement 80 et 10 % de la pluie incidente, les 10 % restant étant supposés interceptés et évaporés. Le funneling ratio (FUN) défini par Herwitz (1986), représentant le stemflow sur la pluie incidente relativement à la section du pseudo-tronc, est de FUN=13. Dans des conditions pédoclimatiques très similaires, en Guadeloupe, Cattan et al. (2007a) mesurent des flux plus concentrés sur le stemflow de variétés Grande Naine selon l’âge d’avancement de la plante : le FUN varie de 20 à 40 quand l’indi ce foliaire (LAI) varie de 2 à 3,2. En ce sens, le stemflow est maximum quand le bananier a atteint son maximum de croissance.
Figure 1-7 Redistribution des pluies sous la bananeraie (d’après Roose et al. (1999)).

Rôle des pratiques culturales

De nombreux auteurs ont montré que les états de surface jouaient un rôle prédominant sur le partage ruissellement-infiltration (Collinet et Valentin, 1979; Dunne, 1991; Casenave et Valentin, 1992). Les pratiques culturales modifient les propriétés hydrodynamiques et géométriques à la surface des parcelles et contrôlent l’apparition et l’inten sité de l’infiltration, du ruissellement, et de son transfert intra parcellaire.

Le labour

Le labour réorganise la structure du sol, modifiantainsi les propriétés hydrodynamiques en surface ainsi que la rugosité du sol (Mwendera et Feyen, 1993; Mwendera et Feyen, 1994; Leonard et Andrieux, 1998; Richard et al., 1999). Plusieurs auteurs ont noté une augmentation de l’infiltration juste après labour (Papy et al., 1988; Rao et al., 1998a), alors que le passage d’engins peut engendrer une compaction localisée au niveau des traces de roues et réduire l’infiltration (Hill, 1993; Richard et al., 1999). Globalement, le labour augmente la rugosité de surface et donc les zones de rétention (Mwendera et Feyen, 1994), et les sillons creusés canalisent le ruissellement et créent des chemins d’eau préférentiels (Souchèret al., 1998; Takken et al., 2001a).
De tels effets ont déjà été observés dans le cas écifiquesp des andosols pour lesquels la macroporosité de l’horizon de surface est directement affectée par le labour et le tassement après le passage d’engins (Dorel, 1993,2000). En bananeraie, la plantation en sillon ou au trou peut modifier fortement les voies préférentielles de circulationd’eau et influer sur le coefficient de ruissellement à l’échelle de la parcelle (Cattan et al., 2006).

La couverture du sol

La couverture du sol est un autre facteur influant sur le ruissellement à l’échelle de la parcelle (Rao et al., 1998b; Mickelson et al., 2001). Dans le cas du mulch, elle permet un plus grand stockage de l’eau (Gilley et Kottwitz, 1994) et augmente la rugosité de la surface et donc la sinuosité du trajet intra-parcellaire (Poesen et Lavee, 1991).
Dans le but d’évaluer l’impact des cultures bananières sur l’érosion, Khamsouk (2001), en Martinique sur sols brun rouille à halloysite et Ri shirumuhirwa (1993; 1997), au Burundi sur sols ferrallitiques, ont mené diverses expérimentationssur les états de surface à l’échelle de la parcelle. En bananeraie, ces états de surface concernent essentiellement les modes de paillage et leurs effets sur l’érosion. Les résultats principaux sont concordants et sont présentés ci-dessous :
• le paillis complet stoppe presque totalement le ruissellement et augmente l’infiltration,
• le paillis en bandes perpendiculaires à la pente di minue le ruissellement d’autant plus que les écartements entre les bandes sont de plus en plus faibles,
• le paillis en couronne est moins efficace contre le ruissellement car après de fortes averses, des rigoles continues se forment entre les lignes de bananiers dans le sens de la pente,
• en bananeraie non paillée, l’infiltration est jusqu’à 8 fois moins élevée qu’en bananeraie paillée.
Cattan et al. (2006) ont mené des travaux concernant l’influence des états de surface sur le ruissellement, sur deux parcelles en vis-à-vis. Leu rs principaux résultats montrent que les coefficients de ruissellement moyens (RC) par événement varientde 5 à 11 % (maximum de 34 %) et que le paillage tamponne l’effet du labour.

Les écoulements en parcelles de banane

Suite à leurs observations sous bananier en Martini que, Roose et al. (1999) décrivent l’origine du ruissellement ainsi : « Comme 50 % de la surface du sol sous bananier sont tassés par le passage fréquent des ouvriers (25 fois an-1), l’eau circule en nappe à partir des faux troncs, pénètre dans les vieilles souches pourries, est piégée dans les petites mares creuséeen bordure de la canopée, puis déborde mais reste claire en s’infiltrant à travers les litières de fe uilles et de faux troncs en décomposition. Nous n’avons pas observé de croûtes de battance ou de sédimentation sous bananier. »
Des travaux menés à l’échelle de la plante (Cattanet al., 2007a; Cattan et al., soumis) permettent de distinguer différentes étapes dans le processusde ruissellement (Figure 1-8) : (i) d’abord une saturation des zones d’égouttage des feuilles et de l’aval du bananier avec la formation de flaques éparses, ensuite (ii) la formation progressive de chemins d’eau à partir de ces zones saturées à l’ava l du pseudo tronc du bananier et dans les zones de concentration de la pluie, par effet d’égouttage à la périphérie de bananier, et enfin (iii), si les intensités continuent d’augmenter, le ruissellement généralisé sur la placette apparaît. La conséquencede cette redistribution de la pluie par le bananier est une augmentation du coefficient de ruissellement à l’échelle de la placette (8 m²), et un flux de percolation beaucoup plus important en aval du pseudo-tronc comparé à l’inter-rang (Cattan et al., 2007b; Sansoulet, 2007).
En résumé, quand le taux de résidus au sol est élevé, le ruissellement annuel moyen semble donc peu dépendant de la densité de plantation et de lacanopée mais bien dépendant du taux de couverture du sol par les résidus (Rishirumuhirwa, 1993b). Quand le taux de résidus au sol est faible, comme aux Antilles (de type un rang sur deux dans le sens de la pente), l’effet protecteur du paillage est réduit et n’est plus perceptible pour les pluies supérieures à 10 mm (Cattan et al., 2006).

Rôle du réseau anthropique

Le milieu agricole est également caractérisé par leréseau anthropique qui regroupe les fossés, les routes et chemins et qui peut influencer les écoulements de surface et la réponse du bassin versant (Dunn et Mackay, 1996; Moussa et al., 2002; Carluer et Marsily, 2004).
Le réseau des fossés agricoles est distingué du réseau hydrographique naturel du fait qu’il ne suit pas nécessairement la ligne de plus grande pente. Les fossés jouent deux rôles fondamentaux au sein d’un système agricole : un premier sur le temps de transfert et donc le temps de réponse des crues, un second sur les échanges avec la nappe superficielleet donc sur les volumes ruisselés (Moussaet al., 2002; Chahinian, 2004).
Les routes et chemins d’exploitations peuvent être considérés comme des éléments linéaires du paysage quand ils canalisent les eaux de ruissellement provenant des parcelles, mais ils peuvent également être considérés comme des éléments surfaciques favorisant le ruissellement hortonien (Ziegler et al., 2004a).

Limite des études de bassin en climat tropical humide

Peu d’études en milieu volcanique

En regard du schéma d’Elsenbeer (2001) (Figure 1-6) qui synthétise les types d’écoulement pour des sols évolués (acrisols et ferralsols), peu d’études à l’échelle du bassin versant portent sur des sols volcaniques jeunes, qui sont reconnus pour leurs qualités agronomiques. Même si les andosols représentent moins de 1 % de la surface totale des continents, plus de la moitié de cette surface est située sous les tropiques (WRB, 2006). Ces sols formés sur des dépôts volcaniques aériens de type cendres, lapillis ou ponces, possèdent des propriétés physiques et chimiques particulières dues à la présence de matériaux non cristallisés et à l’accumulation de carbone organique. Les sols tropicaux développés sur ces formations sous climats humidesont une forte capacité de rétention en eau, une faible densité apparente, inférieure à l’unité, une valeur de capacité d’échange élevée et une stabilité structurale élevée (voir les revues de Quantin, (1972) et Dahlgren et al., (2004)). Ces sols sont dotés d’une capacité d’infiltration élevée, qui dépasse06mm h-1 (Perret, 1993; Dorel, 2000; Poulenard et al., 2001; Cattan et al., 2006), qui les rend peu ruisselants aux échellesde la parcelle : entre 0 et 20 % (Hasegawa, 1997; Poulenard et al., 2001; Cattan et al., 2006).
Si de nombreux travaux existent à l’échelle de la parcelle en climat tropical et dans d’autres contextes pédoclimatiques, on ne recense qu’une seule étude de fonctionnement de bassin sur milieu volcanique jeune, à Kali Mondo en Indonésie (Bruijnzeel, 1983a,1983b). Au vu des résultats de cette étude, on serait tenté de placer ce bassin comme intermédiaire aux pôles acrisol et ferralsol sur le schéma d’Elsenbeer (2001), mais il n’est pas possible, dans l’état actuel des connaissances, de généraliser les écoulements de surface sur andosols.

Peu d’études en milieu cultivé

Fritsch (1992) note le caractère apaisant de la figure de Dunne (1983) (cf Figure 1-5), caractère qui ne doit pas faire oublier ses limites. En effet, l’essentiel des travaux en climat tropical humide est localisé en forêt, laissant peu de références en lieumi cultivé. Pourtant, de nombreuses études sur les effets de la déforestation et de la mise en cultureà l’échelle du bassin versant (Bosch et Hewlett, 1982; Fritsch, 1992,1995; Bruijnzeel, 2004) montrent que les flux sont modifiés et que le coefficient de ruissellement peut être significativement augmentépendant les crues. Deux modifications importantes du milieu laissent penser que le fonctionnement de bassin en milieu cultivé est différent de celui en milieu forestier.
D’une part, de nombreux travaux en contextes pédoclimatiques variés soulignent le rôle de la végétation, à l’interface sol-atmosphère, sur la redistribution de la pluie au sol à l’échelle locale : voir les revues de Crockford et Richardson (2000); Levia et Frost (2003); Llorens et Domingo (2007). Ainsi, la conjugaison d’un terme d’interception moi ns fort en milieu cultivé (Stewart, 1984) et d’une distribution différente de la pluie au sol font quela pluie arrivant au sol peut être fortement différente de la pluie incidente aussi bien en volume qu’en intensité.
D’autre part, la reconversion de l’occupation du so l est souvent associée à une réduction de l’infiltrabilité des sols (Malmer, 1996; Ziegler et al., 2004a; Zimmermann et al., 2006). Les conséquences de la déforestation sur la réponse hydrologique sont fondamentales : Fritsch (1995) montre que les volumes écoulés après déboisement gmententau de 66 à 200 % selon les bassins pour la première année, puis que ces volumes diminuent aiblement,f tendant progressivement vers le régime forestier initial plusieurs années après. Cette conséquence résulte de l’augmentation du stock d’eau dans le sol du bassin défriché (Milletet al., 1998), qui entraîne l’apparition d’un écoulement permanent à l’exutoire après déforestation.

En résumé

Bien que de nombreux travaux aient porté sur le fonctionnement hydrologique de bassins en milieu tropical humide, la question se pose de leur représentativité dans le paysage tropical étendu au milieu cultivé. En effet, nous avons vu que l’essentiel des bassins d’études tropicaux est localisé en forêtsur des sols évolués. La littérature abonde dans le sen d’une modification significative du régime hydrologique après déforestation et mise en culture, mais à notre connaissance, l’étude du fonctionnement hydrologique d’un agrosystème a étépeu abordée. De plus, les quelques études réalisées en contexte volcanique ne permettent pasde généraliser les processus de ruissellement aux andosols en comparaison avec d’autres sols tropicaux perméables. Pourtant, les sols volcaniques sont situés en majorité sous les tropiques et sont largement répandus dans les agrosystèmes. L’étude du fonctionnement hydrologique d’un bassin tropical en terrain volcanique apporterait donc des éléments au fonctionnement hydrologique des agrosystèmes situés sous les tropiques.
Dans ce contexte où la banane est la première production fruitière, des travaux ont montré que la redistribution par le couvert du bananier est considérable, du fait d’une structure en entonnoir qui concentre une grande part de la pluie au pied de la plante. Cette redistribution de la pluie a un impact important sur la répartition spatiale des flux d’infiltration et de ruissellement, du fait de volumes pluviométriques abondants en milieu tropical. Se pose alors la question de l’impact, aux échelles de la parcelle et du bassin, de la redistribution de la pluie à l’échelle locale du bananier. La démarche expérimentale menée à l’échelle de la plante, qui eprésente la maille élémentaire de la bananeraie, peut être prise en compte dans une modélisation à ’échelle locale et distribuée à l’échelle du bassin versant. Aussi, une approche de modélisation spatialisée permettra de tester l’influence de la végétation sur le ruissellement en terrains perméables, et de tester des scénarios d’occupation du sol selon l’évolution des pratiques agricoles au sein du bassin.

Modélisation des processus hydrologiques de la parcelle au bassin versant

En terme de modélisation, nous pouvons distinguer deux niveaux d’approche. Une approche de modélisation des processus hydrologiques génériques, et une approche de modélisation des spécificités contextuelles propres à un système donné. Ces spécificités ont une influence sur la modélisation des processus. Leur prise en compte dans la structure du modèle permet de définir des stratégies de modélisation plus proches de la réalité dudit système, comparé à une approche générique. Ainsi, après une synthèse sur les modèles hydrologiques, cette section présente l’état de l’art sur les modèles utilisés en climat tropical et les modèles spécifiques au contexte cultivé.

Les modèles hydrologiques

Pourquoi et comment modéliser ?

La caractérisation des processus hydrologiques au sein d’un système est rendue difficile pour trois raisons principales : (i) la variabilité spatiale des processus et des flux due à la distribution spat iale de la pluie au sol et à l’hétérogénéité du milieu, )(iila variabilité temporelle des processus due aux effets saisonniers et à la cinétique variée des différentsprocessus (ruissellement rapide, diffus, etc…), (i ii) l’interaction de ces différents processus entre eux. A cela nous pouvons ajouter la difficulté de mesurer des flux et des stocks et l’appréhension de leur représentativité au sein du système. Les modèles hydrologiques sont une représentation forcément simplificatrice de la complexité naturelle, mais leur développement permet de synthétiser toutes les informations disponibles et de tester des hypothèses de fonctionnement.
L’application ou le développement d’un modèle nécessite une stratégie que Beven (2001) décrit en cinq étapes dans la Figure 1-9 : l’étape de perception des processus, l’étapede conceptualisation de ces processus, l’étape de « codage » informatique, l’étape de calibration et du choix des paramètres calés, et enfin l’étape de validation, qui doit être entendue comme une phase de vérification ou de falsification des hypothèses de fonctionnement sur lesquelles se base la modélisation. Le passage d’une étape à une autre engendre une approximation qui s’accentue. Dans ce schéma de modélisation conceptuelle, l’ellipse de décision de succès et les boucles de rétroaction attachées à chaque étape onts alors très importantes. La vérification des hypothèses de modélisation et/ou d’expérimentations s’avère délicate et est tributaire des approximations réalisées au cours de la stratégie de modélisation.

Modélisation des processus hydrologiques selon une approche globale ou distribuée

Face au très grand nombre de modèles développés enhydrologie, une classification satisfaisante est difficile à établir. C’est pourquoi nous nous focalisons sur les deux approches communément utilisées que sont les modèles globaux ou distribués.

Modèles globaux

Dans les modèles empiriques globaux, le système estconsidéré comme une boîte noire avec un lien mathématique entre les variables d’entrée et les variables de sortie. Nombre de ces modèles s’appuient sur une linéarisation des phénomènes hydrologiques,peu propice à l’analyse du fonctionnement interne d’un bassin (Ambroise, 1999). Les modèles Pluies-Débits ou ceux basés sur les fonctions de transfert comme l’hydrogramme unitaire (Sherman, 1932) en font partie.
Dans les modèles conceptuels globaux, le bassin est considéré comme une entité spatiale et pour la plupart (voir la revue de Singh (1995)) la structure est un assemblage de réservoirs interconnectés représentant par exemple la végétation, la surface,les horizons du sol ou l’aquifère dont la variable est le niveau d’eau. Une équation de bilan et une loi de vidange assurent une conservation de l’eau en reliant les flux entrant et sortant. Les composantes du cycle de l’eau peuvent être correctement simulées, mais les paramètres utilisés sont souventsans grande signification physique (de type indicateurs) et les paramètres globaux ne peuvent décrire l’hétérogénéité du bassin. Le premier modèle de ce type, SWM, comporte 8 réservoirs et 27 paramètres (Crawford et Linsley, 1966). Plus récemment citons le modèle HBV (Bergström, 1995) ou le modèle HSPF (Donigan et al., 1995), ainsi que la famille des modèles GR développés en Francepour la gestion des ressources en eau : GRHUM (Loumagne et al., 1996), GR3J (Edijatno et al., 1999) et GR4J (Perrin et al., 2003). Ces derniers modèles ont l’avantage d’être parcimonieux avec seulement 3 ou 4 paramètres de calage.

Géologie du Sud Basse-Terre

L’arc insulaire des Petites Antilles résulte de la subduction de la plaque océanique Atlantique sous la plaque Caraïbe. Au nord de la Martinique, l’arc se scinde en deux axes : un arc ancien (d’âge Eo-Oligocène) correspondant aux îles calcaires à l’est , et un arc récent (d’âge Plio-Pléistocène) au niveau des îles volcaniques actives (pour une synthèse détaillée du contexte géologique antillais, voir Macdonald et al., 2000). L’archipel de la Guadeloupe est un site privilégié car la Grande-Terre à l’est est rattachée à l’arc ancien, et la Basse-Terre à l ’ouest à l’arc volcanique actif. Nous nous focaliso ns dans ce paragraphe au contexte volcanique du sud de l’île de la Basse-Terre.
Le volcan composite de la Grande Découverte (Figure2-3), qui inclut le dôme de la Soufrière, est situé dans la partie sud de la Basse-Terre de Guadeloupe et représente, avec l’ensemble éruptif de la Madeleine, le volcanisme le plus récent de l’île (Boudon et al., 1992). La dernière éruption phréatique de 1976-1977 (Feuillard et al., 1983) est la manifestation la plus récente de l’activité du volcan.
Ce volcan composite est décrit comme ayant une construction par alternance d’épisodes effusifs et pyroclastiques (« strato-volcan ») émanant de la zone centrale de l’édifice (Boudon et al., 1987; Zlotnicki et al., 1992). Trois phases successives ont permis d’édifier le relief actuel du sud Basse-Terre. La première phase appelée Grande Découverte(200 000 à 100 000 ans BP) a construit l’édifice principal avec une alternance de coulées de lave andésitiques et d’épisodes pyroclastiques. Cette phase se termine par l’effondrement de la caldeira. La seconde et la troisième phase se produisent au sein de la caldeira. Durant la seconde phase, une alternance d’épisodes effusifs et pyroclastiques édifient le massif Carmichaël (100 000 à 3 100 ans BP ( Before Present)) qui est détruit lors de deux explosions majeures datées de 11 500 et 3 100 ans BP. La troisième phase appelée Soufrière (3 100 ans BP à Actuel) voit son activité volcanique se localiser sur le haut du massif sud de la Basse-Terre avec la mise en place du dôme Amic, des cônes de scories de l’Echelle et de la Citerne, et enfin du dôme proprement dit de la Soufrière (dernière éruption agmatique du volcan) vers 1 440. Depuis, plusieurs éruptions phréatiques se sont produites, notammenten 1797-98 et 1976-77 (Feuillard et al., 1983).

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 : REVUE BIBLIOGRAPHIQUE SUR LE FONCTIONNEMENT HYDROLOGIQUE DES BASSINS VERSANTS EN CLIMAT TROPICAL HUMIDE ET EN CONTEXTE CULTIVE
1.1 Introduction
1.2 Processus hydrologiques à l’échelle du bassin versant
1.2.1 Ecoulements régis par le couvert végétal
1.2.2 Ecoulements de surface
1.2.3 Ecoulements souterrains
1.2.4 Synthèse sur la genèse des crues
1.3 Spécificités du contexte tropical et du milieu cultivé
1.3.1 Le milieu tropical humide
1.3.2 Processus spécifiques au milieu cultivé
1.3.3 Limite des études de bassin en climat tropical humide
1.3.4 En résumé
1.4 Modélisation des processus hydrologiques de la parcelle au bassin versant
1.4.1 Les modèles hydrologiques
1.4.2 Approches de modélisation en milieu tropical humide
1.4.3 Approches de modélisation prenant en compte les spécificités du milieu cultivé
1.4.4 En résumé
CHAPITRE 2 : SITES ET CARACTERISTIQUES DU MILIEU
2.1 Introduction
2.2 Cadre de l’étude
2.2.1 Géographie
2.2.2 Climat
2.2.3 Géologie du Sud Basse-Terre
2.2.4 Sol
2.2.5 Occupation du sol par la banane
2.3 Description générale des sites d’étude
2.3.1 Le bassin versant de Féfé
2.3.2 Le sous-bassin versant Moïse Haut
2.3.3 La parcelle Espérance Haut
2.4 Bassin de Féfé : acquisition de données géologiques, pédologiques et d’occupation du sol
2.4.1 Géologie
2.4.2 Sols et occupation des sols
2.5 Conclusion
PARTIE I : FONCTIONNEMENT HYDROLOGIQUE D’UN PETIT BASSIN VERSANT VOLCANIQUE TROPICAL
CHAPITRE 3 : BILAN ET PROCESSUS HYDROLOGIQUES A L’ECHELLE GLOBALE D’UN BASSIN VERSANT VOLCANIQUE TROPICAL
Résumé
3.1 Introduction
3.2 Study site
3.2.1 Site description
3.2.2 Field methods
3.3 Data processing
3.3.1 Hydrological data
3.3.2 Terms of the water balance
3.3.3 Time series partitioning
3.4 Main hydrological processes
3.4.1 Annual water balance
3.4.2 Impact of antecedent moisture conditions on hydrological processes
3.4.3 Relations between water compartments at the storm event scale
3.4.4 Discussion
3.5 Conceptual Lumped hydrological model
3.5.1 Model structure
3.5.2 Calibration strategy
3.5.3 Sensitivity analysis
3.5.4 Calibration and validation
3.5.5 Domain and limits of application of the model
3.6 Conclusion
CHAPITRE 4 : CARACTERISATION DU FONCTIONNEMENT HYDROGEOLOGIQUE D’UN BASSIN VOLCANIQUE SELON DEUX APPROCHES HYDRODYNAMIQUE ET HYDROGEOCHIMIQUE
Résumé
4.1 Introduction
4.2 Description du site d’étude
4.2.1 Situation
4.2.2 Dispositif expérimental
4.3 Approche géologique et hydrogéologique
4.3.1 Structure géologique du site de Féfé
4.3.2 Paramètres hydrodynamiques
4.3.3 Contexte hydrogéologique
4.3.4 Traitement des chroniques de pluie, débit et piézométrie
4.3.5 Fonctionnement hydrogéologique
4.4 Approche hydrogéochimique
4.4.1 Méthodologie
4.4.2 Variabilité des éléments
4.4.3 Identification de compartiments géochimiques
4.5 Révision du premier modèle conceptuel
4.5.1 Les hypothèses validées
4.5.2 Les hypothèses non validées
4.6 Discussion et conclusion
CHAPITRE 5 : TRANSPORT D’UN NEMATICIDE DANS LES EAUX DE SURFACE ET DE NAPPES SUR UN BASSIN VERSANT VOLCANIQUE TROPICAL
Résumé
5.1 Introduction
5.2 Matériel et méthodes
5.2.1 Site d’étude
5.2.2 Mesures hydrologiques
5.2.3 Épandages
5.2.4 Échantillonnage
5.2.5 Méthode d’analyse en laboratoire
5.2.6 Quantification de matière épandue et transportée
5.3 Résultats
5.3.1 Caractéristiques des chroniques hydrologiques lors des deux campagnes d’épandage
5.3.2 Persistance du cadusafos dans les andosols
5.3.3 Transport à l’échelle du sous-bassin et du piézomètre
5.3.4 Transport à l’échelle du bassin versant
5.4 Discussion
5.5 Conclusion
PARTIE II : INFLUENCE DU MILIEU CULTIVE SUR LE RUISSELLEMENT AUX ECHELLES DE LA PARCELLE ET DU BASSIN VERSANT.
CHAPITRE 6 : Modélisation du ruissellement sur une parcelle, en tenant compte de la redistribution de la pluie par le bananier (stemflow)
Résumé
6.1 Introduction
6.2 Approche de modélisation
6.2.1 Bilan
6.2.2 Structure du modèle
6.2.3 Les propriétés et les paramètres du modèle
6.3 Application du modèle sur une parcelle de banane
6.3.1 Site d’étude : la parcelle « Espérance Haut »
6.3.2 Fonction stemflow pour le bananier
6.3.3 Procédures de calage
6.4 Résultats
6.4.1 Analyse de sensibilité
6.4.2 Comparaison globale des approches avec et sans stemflow pour les périodes de calage et de validation
6.4.3 Analyse événement par événement
6.5 Discussion et Conclusion
CHAPITRE 7 : MODELISATION HYDROLOGIQUE SPATIALISEE DES CRUES, DE LA PARCELLE AU SOUS-BASSIN ET AU BASSIN VERSANT, EN MILIEU CULTIVE TROPICAL
Résumé
7.1 Introduction
7.2 Le site d’étude
7.2.1 Situation
7.2.2 Dispositif expérimental
7.2.3 Analyse des données
7.2.4 Evénements de crue
7.2.5 Contraintes pour la modélisation spatialisée
7.3 Le modèle MHYDAS
7.4 Application de MHYDAS aux échelles de la parcelle et du sous-bassin
7.5 Segmentation de l’espace et stratégie de paramétrisation à l’échelle du bassin versant
7.5.1 Segmentation de l’espace
7.5.2 Spatialisation des variables d’entrée et des conditions initiales
7.5.3 Critères de calage et procédure
7.6 Calage, validation et application de MHYDAS à l’échelle du bassin versant
7.6.1 Analyse de sensibilité
7.6.2 Stratégie de calage et de validation
7.6.3 Calage du modèle
7.6.4 Validation
7.6.5 Effet d’échelle
7.6.6 Bilan sur les événements de calage individuel
7.7 Discussion et conclusion
CONCLUSION
ANNEXES
LISTE DES FIGURES
LISTE DES TABLEAUX
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES

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