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But de la modélisation
Ces modèles ont pour but de faciliter la compréhension de phénomènes complexes et ainsi prévoir et proposer des mesures pour réduire ou éviter les effets non souhaités provoquer par ces phénomènes. En hydrologie, la modélisation peut avoir une fonction de recherche, le modèle permet d’établir des scénarios qui pourront être confrontés aux mesures. Il est également fréquent d’utiliser la modélisation à des fins de prévisions ou encore pour reconstituer et quantifier le phénomène d’érosion présent dans un bassin versant ou aussi pour la délimitation de zones inondables. Enfin, ces modèles vont permettre la mise en place de scénarios qui serviront d’aide à la décision pour les acteurs concernés par des projets d’aménagements du territoire ou de mise en place de pratiques agro-environnementales.
Différents types de modèles hydrologiques
Le modèle hydrologique d’un bassin versant représente de manière simplifiée le cycle de l’eau sur ce bassin afin d’expliquer la réponse du bassin aux conditions climatiques et physiques auxquelles il est soumis. Il existe de plusieurs modèles qui peuvent décrire ces processus hydrologiques, ceux-ci ont été classés en deux types par Le Cler en 2004.
Les modèles conceptuels à base physique
Ce sont les modèles dans lesquels le fonctionnement du bassin est présenté par une analogie, un concept. L’analogie la plus souvent utilisée pour représenter le fonctionnement des sols et des nappes est celle du réservoir dont le débit de vidange dépend du taux de remplissage. Ce sont des modèles qui se basent sur des processus physiques connus. L’ensemble du fonctionnement est un compromis entre une représentation physique précise de certains phénomènes et une représentation plus empirique pour d’autres. Il existe entre les grandeurs mesurables dans la réalité et celles mesurables sur le modèle des rapports de similitude qui peuvent être calculés a priori et qui assurent la translation des résultats obtenus sur le modèle en vrai grandeur. La justification du modèle repose en définitive sur le fait que les mêmes équations régissent les phénomènes en vraie grandeur et en modèle réduit.
Les modèles empiriques
Ce sont les modèles qui sont développés à partir d’expériences en laboratoire ou sur le terrain. C’est le cas par exemple du modèle d’érosion USLE (Universal Soil Loss Equation). Ces deux types de modèles peuvent ensuite être globaux c’est-à-dire qu’ils appréhendent le bassin versant comme une seule et unique entité, et tente de reproduire son comportement général. Malheureusement, le modèle global ne tient pas compte de la variabilité spatiale des paramètres régissant les phénomènes comme le ruissellement ou l’érosion et ils ne peuvent donc pas évaluer les effets qu’auront des modifications de l’usage des sols ou de l’utilisation du territoire en général. C’est pourquoi des modèles dits distribués ont été mis en place permettant, à l’aide de formules mathématiques plus complexes de représenter la variabilité spatiale des phénomènes agissant sur le bassin. Ce dernier est ainsi découpé en unités afin de prendre en compte l’hétérogénéité des caractéristiques influençant la réponse hydrologique du bassin.
Description du modèle SWAT
SWAT (Soil and Water Assesment Tool) est un modèle de type conceptuel physique semi-empirique distribué qui permet de manipuler et d’analyser plusieurs données hydrologiques et agronomiques. Il est développé en 1999 par Jeff Arnold pour l’USDA Agriculture research service. Ce modèle est pris en compte comme une extension de l’ArcGIS 9.3 ou évolué en version anglophone.
Le couplage avec le SIG permet de gérer des données de type raster, vecteur et alphanumériques. Il facilite et automatise la préparation des données d’entrées, il rend plus convivial la phase d’intégration, de manipulation et le paramétrage des données liées à la simulation. Le paramétrage des données numériques par l’utilisateur et la visualisation des résultats s’effectuent par le biais des formats « .mdb ». Cependant, les fichiers de sorties sont convertis par SWAT en format « .txt » et « .mdb » possédant leurs propres structures. Plusieurs fichiers sont requis pour le bon fonctionnement du modèle : modèle numérique de terrain (MNT), pédologie, réseau hydrographique, données climatiques, occupation du sol, etc.… Ces fichiers sont tous calés en UTM zone 38S parce que le logiciel SWAT/ArcSWAT requiert un système de coordonnée projeté. De nombreuses valeurs sont définies par défaut avec des conditions américaines, mais un grand nombre d’entre elles devront être adaptées au contexte local. La partie paramétrage du bassin versant est assez longue, au vu du nombre conséquent de données d’entrées nécessaires. La visualisation des résultats sous forme graphique à partir de bases de données, mais aussi sous forme cartographique à l’échelle des HRU et des sous bassins versants. Cf. Annexe N°2.
Spatialisation des processus
Afin de prendre en compte les diversités du milieu, et mieux modéliser les différents comportements des processus, SWAT va spatialiser les types de réponses, c’est-à dire que le modèle va calculer la valeur quantitative des différents processus sur chaque unité spatiale. L’unité de base du calcul est la HRU (Hydrological Response Unit). Cette discrétisation spatiale en sous unités correspond à la combinaison d’un sous bassin versant d’un type de sol et d’un type d’occupation dont les paramètres vont influer sur les phases du bilan hydrique (ruissellement, infiltration, évapotranspiration…). Une HRU aura donc un comportement hydrologique propre et homogène. Les différents flux (eaux, sédiments, phosphore) sont donc calculés sur la base de cette unité puis sommés pour fournir une valeur globale à l’exutoire de chaque sous bassin et du bassin.
Localisation de la zone d’Etude
Le lac Kinkony se situe dans la Nouvelle Aire Protégée du complexe des zones humides Mahavavy – Kinkony qui se trouve dans la province de Mahajanga, Région de Boeny et District de Mitsinjo (cf. figure n°4). La NAP-CMK est limitée au Nord par le District de Mahajanga, au Sud, par le District d’Ambato-Boeni, à l’Est par District de Marovoay et à l’Ouest, par District de Soalala. Le complexe se situe entre 15°46′ et 16°12′ de latitude Sud et 45°27′ et 45°56′ de longitude Est. Le chef-lieu de District de Mitsinjo est relié à la ville de Mahajanga par une route nationale secondaire d’environ 82 Km à partir de Katsepy qui n’est pas praticable que pendant la saison sèche d’avril en octobre et Katsepy n’est accessible depuis Mahajanga qu’en bac ou en vedette.
Les forêts denses sèches
Ce sont des formations forestières typiques de l’ouest de Madagascar. Elles sont caractérisées par la caducité des feuilles en saison sèche. Ce sont des peuplements denses riches en espèces végétales ligneuses adaptées aux conditions physiques plus ou moins contraignant du milieu. Ces formations sont à un stade avancé de dégradation à cause d’une gestion traditionnelle tendant à la destruction du couvert végétal aux dépens de l’agriculture. Les principales pressions sur la forêt sont : les cultures sur brûlis, l’exploitation illicite, la carbonisation et les feux sauvages. De ce fait plusieurs hectares sont annuellement perdus, réduits en cendre.
Les formations arborées
Sur des sols riches alluvionnaires le long de la vallée de la Mahavavy dominent les formations à Satrana. Il existe trois types de formation à Satrana :
Formation à satrana pure.
Formation à Bismarckia nobilis mixte associée à d’autres espèces ligneuses (Zizyphus mauritiana, Ficus sp.).
Savane à Bismarckia nobilis : sur les plateaux d’interfluve on a une formation savanicole où le composant ligneux est représenté essentiellement par Bismarckia nobilis.
Comme le Satrana, Zizyphus mauritiana se présente sous forme de formation pure ou en association avec d’autres ligneuses ou en savane arborée. Sur des sols fertiles, on a un peuplement dense où les houppiers de rejoignent. La hauteur moyenne dans un peuplement dense est de 12 m. En association Zizyphus est plus faible en hauteur et en diamètre des individus. En milieu de savane, le peuplement de Zizyphus est lâche avec seulement 200 à 300 pieds à l’hectare.
Les savanes
Les savanes sont des formations ouvertes associées ou non avec des éléments ligneux. Les espèces graminéennes le plus souvent rencontrées sont : Heteropogon contortus, Chloris sp., Aristida multicaulis,. La strate ligneuse de savanes est composée de : Pourpatia caffra (Sakoa), Stereospermum sp. (Mangarahara), Tamarindus indicus (Kily), Dicoma sp.(peha).
Bibliographie et recherche cartographique
La recherche bibliographique est la première étape de la méthodologie de ce travail. En premier lieu, il est nécessaire pour l’approfondissement et la compréhension de tous les sujets abordés dans ce travail. En second lieu, elle est nécessaire pour acquérir et compléter tous les données utiles et requises par les outils informatiques utilisés par la présente étude. Et en troisième lieu, pour la vérification et la référence des données utiles pour l’aboutissement du projet et les données des résultats. L’étude bibliographique comprend :
– Des ouvrages généraux, orientés sur les documents liés aux conditions physiques et socio-économiques de la zone d’étude.
– Des études spécifiques sur les thèmes précises telles que : l’érosion des sols, la modélisation, le Système d’Information Géographique et l’aménagement.
Par ailleurs, l’emploi des cartes dans ce travail nécessite également des investigations cartographiques, pour la simple raison que le projet d’étude se situe sur un espace géographique limité. Les cartes utilisées sont des fichiers de données munis des informations spécifiques des milieux physiques de la zone d’étude et projetés sur un unique système de projection pour une manipulation sans erreurs des outils de SIG utilisés dans le projet ont été consulté et utilisé :
– Carte Topographique (MNT) (figure N°5).
– Exploitation d’imageries satellites pour la conception des cartes thématiques sur : l’utilisation des sols et la végétation.
– Carte des sols Feuille n° 12 (figure N°7).
– Carte mondiale des sols de la FAO (FAO, 2012).
Collecte des données et informations sur terrain.
Une période de dix (10) jours a été consacrée pour la collecte des informations sur le terrain ainsi que des vérifications des données diverses :
– Echantillonnage des sols pour évaluer la valeur d’érodibilité K utile à la fois pour le modèle SWAT et RUSLE. Pour ce faire des échantillons ont été pris pour les différents types d’unités pédologiques identifiées sur la notice sur la carte pédologique de reconnaissance au 1/200 000è – Feuille N° 12 : Mitsinjo-Majunga.
– Observation sur terrain des types et formes d’érosion. Le fiche d’observation est rapporté à l’ANNEXE n°5 :
– Vérification sur terrain des données obtenues par image satellite (Occupation des sols).
Mise en place des modèles de prévision de l’érosion des sols
La modélisation de l’érosion à pour but de créer un modèle muni des informations sur l’estimation des pertes de terre dans un laps de temps donné (annuel, mensuel ou journalier). Ici, on a modélisé le phénomène d’érosion à partir d’une équation mathématique intégrée dans deux outils de Système d’Information Géographique (SIG). Vu le temps, le budget et la superficie du bassin versant du lac Kinkony, on est emmené à travaillé sur l’analyse des deux outils. La majorité des travaux effectués sont alors des manipulations et des analyses spatiales ou thématiques sous les outils de SIG.
Utilisation du modèle SWAT
Le premier outil employé est l’extension « SWAT/ArcSWAT» d’ArcGIS. Cet outil permet de créer un modèle, « le modèle SWAT », à partir de l’équation MUSLE. Les résultats obtenus du modèle sont les estimations des pertes de terre annuelles à chaque unité spatiale choisie : HRU, sous bassin ou bassin versant. Les données nécessaires dans la zone d’étude requises par « SWAT/ArcSWAT » sont :
– la carte topographique (MNT).
– la carte hydrologique.
– la carte des occupations des sols.
– la carte pédologique de la zone d’étude.
– les données météorologiques (précipitation, température, humidité relative, vitesse du vent, radiation solaire).
L’établissement du modèle SWAT dans ArcGIS est rapporté dans l’annexe N°2 pour le bassin versant du lac Kinkony.
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Table des matières
PARTIE 1. GENERALITE SUR LE PHENOMENE D’EROSION HYDRIQUE
1.1. Définition de l’érosion
1.2. Les principaux types d’érosion
1.3. L’érosion hydrique
PARTIE 2. MODELISATION DE L’EROSION
2.1. Notion de modèle
2.2. Le modèle SWAT
2.3. Le modèle RUSLE
PARTIE 3. DESCRIPTION DE LA ZONE D’ETUDE
3.1. Localisation de la zone d’Etude
3.2. Description Biophysique du milieu
3.3. Description socio-économique
PARTIE 4. MATERIELS ET METHODES
4.1. Bibliographie et recherche cartographique
4.2. Collecte des données et informations sur terrain.
4.3. Mise en place des modèles de prévision de l’érosion des sols
4.4. Méthodes de conception du plan d’aménagement de la zone d’étude
PARTIE 5. RESULTATS ET INTERPRETATIONS DE LA MODELISATION
5.1. Les Résultats du modèle SWAT
5.2. Les résultats du modèle RUSLE
5.3. Interprétation des résultats sur l’érosion
PARTIE 6. PROPOSITIONS D’AMENAGEMENT ANTIEROSIF
6.1. Zonage du bassin versant
6.2. Proposition d’aménagement par zone
6.3. Plans d’aménagement anti érosifs par sous bassin
CONCLUSION
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
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