Synthèse bibliographique sur l’érosion dans un bassin versant

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Les facteurs de l’érosion hydrique

L’érosion du sol est due à l’action de plusieurs facteurs qui sont d’une part le climat, d’autres part la pente, la nature du sol et le couvert végétale.

Le climat : effet de la précipitation

Parmi les différents facteurs de l’érosion, le plus important est le climat. L’érosion a en effet pour cause l’action des facteurs climatiques définis comme la pluie et le vent qui, dans certaines régions du globe, prennent un caractère agressif et provoquent, lorsque le sol n’est pas suffisamment protégé une dégradation rapide des horizons superficielles (Goujon, 1968). L’agressivité de la pluie est liée à l’intensité de chaque épisode pluvieux et la fréquence de ces intensités.
L’indicateur de l’agressivité des précipitations notamment de la pluie est l’érosivité. Au cours d’une pluie, l’énergie cinétique ainsi que la quantité de mouvement dissipée lors de l’impact des gouttes permettent le détachement des particules et leur déplacement par rejaillissement (Ellison; Hudson in Rejeb, 1996). La cause de l’érosion hydrique est aussi l’énergie de battance des pluies sur les sols non protégés. L’arrachement des particules de terre vient de l’énergie des gouttes de pluie, lesquelles sont caractérisées par une vitesse de chute (fonction de leur hauteur de chute et de la vitesse du vent) et par un certain poids, fonctions de leurs diamètres. Le déplacement des particules de terres se fait d’abord par effet « splash » à courte distance et ensuite par le ruissellement. La battances des gouttes de pluie envoie des gouttelettes et des particules dans toutes les directions. Après la formation des flaques et le débordement de l’eau non infiltrée d’une flaque à l’autre naît alors le ruissellement. Celui-ci s’étale à la surface du sol et peut garder une faible vitesse même sur des pentes plus ou moins fortes (5-10%) si le sol est assez rugueux (présence de mottes, herbes, feuilles, racines, cailloux,…) et empêche le ruissellement de dépasser la vitesse limite de 25cm/seconde. Au-delà de 25cm/s, le ruissellement, peut non seulement transporter des sédiments, mais aussi attaquer le sol et creuser des rigoles hiérarchisées là où la vitesse augmente rapidement (Roose, 1994)

La topographie : effet de la pente

L’érosion du sol est également en relation avec la pente du sol. L’érosion croît rapidement avec la pente du terrain et l’on observe parfois une augmentation considérable des pertes en terre pour un accroissement très faible de la pente (Goujon, 1968). Mais il faut prendre en compte qu’une érosion intense survient sur un sol non protégé même pour un faible degré de pente. La pente a surtout une importance sur l’accélération du phénomène de ruissellement sur les sols faiblement protégés. Si la pente croît sur un terrain, la vitesse de l’eau s’accélère (la vitesse de ruissellement de l’eau augmente avec la déclivité de la pente).et la vitesse de ruissellement est une donnée fondamentale pour l’érosion. La force érosive de l’eau est fonction de cette vitesse de ruissellement, plus la vitesse est grande plus la force avec laquelle l’eau arrache les particules est grandes. La capacité de transport de l’eau et la grandeur des particules que peut entraîner le ruissellement sont aussi fonction de cette vitesse. Ainsi, du fait de la pente la vitesse de l’eau de ruissellement augmente, la force érosive augmente, la quantité de terre entraînée augmente et les particules entraînées sont plus grosses. De plus la charge solide que contient l’eau de ruissellement représente des possibilités d’abrasion et de destruction des agrégats. Ainsi toutes augmentations de vitesse de l’eau correspondront à des effets érosifs rapidement accélérés. (Fauck, 1964). Lorsque l’inclinaison de la pente augmente, l’énergie cinétique des pluies reste constante mais le transport s’accélère vers le bas car l’énergie cinétique du ruissellement augmente et l’emporte sur l’énergie cinétique des pluies dès que les pentes dépassent 15 %. (Roose, 1994).

Le sol : effet de la pédologie

Les propriétés pédologiques qui conditionnent la vulnérabilité d’un sol à l’érosion sont essentiellement : la stabilité structurale, et la perméabilité.
La stabilité structurale définit en principe la tenue du sol à l’action des agents atmosphériques. Elle varie avec la proportion d’agrégats et d’éléments fins qui se trouvent dans le sol, l’instabilité étant d’autant plus forte que la quantité d’éléments qui se séparent des agrégats est plus forte. Les plus stables sont les sols riches en humus et les rendzines, les plus instables sont les argiles, les marnes et les sols salins. (Goujon, 1968).
L’érodibilité d’un sol, en tant que matériau plus ou moins cohérent, est sa résistance à deux sources d’énergie: d’une part, la battance des gouttes de pluies à la surface du sol et d’autre part, l’entaille du ruissellement entre les mottes, dans les griffes ou les rigoles. L’analyse du secteur érosion montre que les matériaux les plus fragiles ont une texture telle que le diamètre des particules est de l’ordre de 100 microns, c’est-à-dire des sables fins. Lorsque les matériaux terreux sont plus fins, se développe une cohésion par simple frottement entre les surfaces des argiles et lorsque les matériaux sont plus grossiers ils deviennent de plus en plus lourds et par conséquent, plus difficiles à transporter. Depuis longtemps, les pédologues ont constaté que les sols réagissaient de façon plus ou moins rapide à l’attaque des gouttes de pluie et à la dégradation de la structure. (Roose, 1994)
La perméabilité d’un sol exprime sa capacité d’infiltration pour l’eau ; elle varie avec la viscosité de l’eau, avec l’intensité des précipitations, la porosité du sol et sa teneur en éléments fins. La perméabilité décroit en général avec la profondeur et elle varie avec le degré de saturation du sol. La perméabilité du sol influe sur le ruissellement. (Goujon, 1968) .D’autre part la nature du sol joue un rôle soit en augmentant le ruissellement en valeur relative, soit en opposant une résistance physique à ce même ruissellement par ses caractéristiques de rugosité. En effet l’augmentation du taux de ruissellement peut résulter d’une perméabilité faible de certains sols en rapport principalement avec leur texture argileuse ou limoneuse. Elle dépend surtout du taux de perméabilité des différents horizons du sol. La présence à une plus ou moins grande profondeur d’un horizon relativement imperméable accélère la saturation des horizons superficiels, limite le drainage et renforce le ruissellement. La structure des éléments du sol est aussi importante que la texture en matière d’érosion. En effet une structure instable se dégradera rapidement donnant une surface battante sous l’effet des précipitations constituant un horizon imperméable initiant plus rapidement le ruissellement. (Fauck, 1964).

Effet de la couverture végétale

La couverture végétale exerce une action déterminante sur la vulnérabilité d’un sol à l’érosion. Un terrain recouvert d’une végétation permanente, prairie ou forêt, ne présente pratiquement pas de trace d’érosion, sous réserve bien entendu que la prairie ne soit pas sur-pâturée et la forêt surexploitée. Il peut y avoir ruissellement si la pente est forte, mais les pertes en terres sont presque nulles, d’abord parce que celle-ci est maintenue en place par les racines des plantes, ensuite et surtout parce que l’énergie cinétique des précipitations est amortie par la végétation. Cette action de la couverture végétale est tellement importante qu’elle peut masquer l’effet de la pente, c’est-à-dire que même sur pente forte l’érosion peut être nulle si le sol est couvert d’une prairie dense ou d’une forêt. (Goujon, 1968).
En principe la présence d’une couverture végétale plus dense se traduit par un freinage mécanique de l’eau. De ce fait, les possibilités d’infiltration sont augmentées ce qui diminue le taux moyen de ruissellement. Mais ce n’est que dans certains cas seulement que ce taux est annulé ou fortement diminué. Sous forêt dense en particulier, seules les très fortes averses amènent un ruissellement notoire, le freinage mécanique sur le sol, joint aux caractéristiques organiques d’horizons supérieurs étant suffisamment important pour permettre une infiltration quasi totale de toutes les petites précipitations. Indépendamment de la modification du taux de ruissellement, le seul fait que ce dernier ait sa vitesse considérablement ralentie change les données du problème d’érosion; étant donné que l’eau reste en dessous de sa vitesse dite érosive, vitesse à partir de laquelle toute augmentation se traduit par une augmentation rapide des effets érosifs et de transports (Fauck, 1964).
Alors L’efficacité du couvert végétal et de résidus à réduire l’érosion dépend du type, de l’étendue et de la densité du couvert végétal. La végétation et les résidus combinés, couvrant complètement le sol, interceptent la pluie et sont le moyen le plus efficace pour réduire les pertes de sol. Les résidus partiellement incorporés et leurs racines ont aussi leur importance, parce qu’ils facilitent l’infiltration. (Arnold et al, 1989).

Actions de l’homme favorisant l’érosion hydrique

L’homme joue un rôle dans l’accélération du processus de l’érosion par le mode de conduite des sols, le degré de technicité, les disponibilités en terre cultivables, la pression démographique (Miteho, 2011). Les cause de l’érosion qui trouvent leur origine dans les comportements humains et qui déterminent la fragilisation de l’état physique des sols sont nombreuses et entraînent une augmentation du tassement et de l’encroûtement. Parmi ces causes il y a
– le déboisement excessif
– la mauvaise gestion des sols avec des régimes d’exploitation fonciers inadéquats
– L’utilisation d’outils agraires inadéquats
– La mise en culture des terres marginales
– La discordance entre la production agricole et le potentiel naturel du sol (Miteho, 2011)

Panorama des méthodes d’évaluation de la vulnérabilité du sol à l’érosion

Des chercheurs du monde entier se sont penchés sur le problème de l’érosion, cela démontre l’importance de l’impact de l’érosion sur la vie de la société humaine. Quelques méthodes utilisées par ces chercheurs sont résumés dans la partie suivante, la liste est non exhaustive .

Méthodes quantitatives

L’équation de Wischmeier (1960) : le modèle USLE

Déterminée de façon empirique, Wischmeier et Smith ont établi en 1960, l’équation universelle de perte de sol : Universal Soil Loss Equation (USLE). Ce modèle considère l’érosion comme une multiplication de l’érosivité des pluies par la résistance du milieu au travers du sol, de la pente, de l’occupation des sols et d’éventuels aménagements antiérosifs
L’équation USLE s’écrit : Équation 1: Equation USLE E = R.K.L.S.C.P
Pour cette équation, des conditions particulières sont considérées: une parcelle témoin ayant une longueur de 22 m et une pente de 5° (9%) cultivée en jachère.
Les facteurs de l’équation sont détaillés ci-dessous :
• E : perte de sol par unité de surface pendant un temps donné (tonne de terre/unité de surface/an). Généralement le temps correspond à une année.
• R : nombre d’unités caractérisant l’érosivité de la pluie pendant une unité de temps.
• L : facteur longueur de pente : rapport de la perte observée sur le terrain étudié avec celle qui aurait lieu si celui-ci avait 22m de long.
• S : facteur d’inclinaison de pente : rapport de la perte observée sur le terrain étudié avec celle qui aurait lieu si celui-ci avait une pente de 9%.
• P : facteur concernant la pratique de conservation. Ce point concerne les pratiques culturales (culture dans le sens de la pente, ou cultures en bandes, à contre-pente, …)
• K : facteur érodibilité du sol. Il s’agit de la perte en terre moyenne observée en tonne par unité de surface, dans les conditions de l’équation.
• C : facteur cultural. Le choix de certains types de culture peut contribuer à une réduction de l’érosion.

Le modèle européen : Pan-European Soil Erosion Risk Assessment P.E.S.E.R.A (Musgrave 1947 in USDA)

Cette méthode a été élaborée pour évaluer les risques d’érosion à l’échelle de l’Europe. Basée sur l’équation d’USLE, elle permet une adaptation plus appropriée aux conditions européennes. Cet indicateur prend en compte l’occupation des sols, l’intensité des évènements pluvieux, la topographie et la nature des sols. Cette méthode s’appuie sur les travaux de Musgrave, 1947 (in USDA United State Departement of Agriculture site web consulté en juin 2014). Elle utilise une formule modifiée prenant en compte la couverture du sol .
Équation 2 : Equation du modèle PESERA
S=C= k1r²Λe+k2Λb(q Λ)c(q Λ-Θ)d
S: quantité de sédiment,
r: la hauteur d’eau de l’évènement pluvieux
C: capacité de dépôt de sédiment pendant un évènement pluvieux k1 et k2:constantes d’érodibilité
Λ : Le gradient de pente
q : surface de la zone en ruissellement
Θ: seuil d’écoulement du sol
b, c, d, e: des constantes sans dimension
Cette méthode de quantification de l’aléa érosion utilise des données précises en termes de pluviométrie, mais aussi concernant les seuils d’écoulement.

Méthodes qualitatives : approches cognitives

La méthode de l’INRA (Le Bissonnais et al. 1998)

Yves Le Bissonnais un chercheur de l’INRA avec ses collègues ont développé une méthode qualitative pour apprécier l’érosion à l’échelle de la France. Cette méthode ne calcule pas précisément la quantité de sol perdue par unité de surface, mais estime la propension des sols à être érosif en fonction du contexte de ces derniers. Elaborée à l’INRA en 1998, cette méthode a été utilisée pour estimer l’aléa érosion au niveau de la France et pour permettre une gestion différentielle et localisée des risques érosifs. Elle a par la suite été utilisée et adapté à une plus petite échelle comme l’échelle départementale à l’exemple du département de l’Aisne en France. La méthode dite « Le Bissonnais » est du type système expert. Elle repose sur une estimation de la sensibilité des sols à être érosifs non pas mesurée mais obtenue à « dires d’experts ». Simplifiée puis transcrite en un arbre de décision, la méthode Le Bissonnais est alors simple d’emploi. La méthode intègre au sein d’une arborescence cinq paramètres qui sont considérés successivement pour l’obtention au final de la note d’aléa érosion: l’occupation des sols, un indice de battance, la pente, un indice d’érodibilité et enfin le régime pluviométrique local. Expertisés, ces paramètres sont ensuite découpés en classes à chaque nœud de l’arborescence (figure 3)
Figure 3 : Arborescence de l’évaluation de l’aléa érosion de la classe des terres arables selon la méthodes de l’INRA (source : Le Bissonnais et al., 1998)
Ces paramètres (excepté le régime pluviométrique) ont ensuite été hiérarchisés et pondérés en suivant des règles de décisions pour réaliser l’arborescence. La hiérarchisation a été faite selon une règle unique : les premiers paramètres à prendre en compte sont ceux d’origine anthropique, c’est-à-dire ceux pour lesquels une modification par l’homme peut être envisagée alors que les derniers (régime pluviométrique) sont subis et ne peuvent être modifiés (hors irrigation en ce qui concerne la pluviométrie).
Une note d’aléa érosion moyenne est obtenue pour une pluviométrie moyenne (Q3) après utilisation des quatre premiers facteurs ; cette note peut être corrigée par la suite en connaissant le régime pluviométrique local par saison (Q1 à Q5) (figure 3)

Les travaux de Dumas en Nouvelle Calédonie (2010)

La méthode qualitative utilisée par Dumas (2010) pour établir une carte des risques d’érosion comme pour la méthode de l’INRA est aussi une méthode qui a utilisé les « dires d’experts » pour établir la sensibilité des sols à l’érosion en Nouvelle Calédonie. Comme pour la méthode «Le Bissonnais», elle intègre trois paramètres explicatifs des processus d’érosion : la topographie, l’érodibilité et l’occupation des sols, la différence se situe sur le paramètre climatique qui n’a pas été pris en compte pour les travaux de Dumas. En combinant les trois facteurs la méthode permet de déterminer une sensibilité du sol à l’érosion.
L’objectif était de parvenir à un zonage des risques morpho-dynamiques, c’est-à-dire établir une carte de sensibilités des sols à l’érosion à l’échelle locale, puis à l’échelle fonctionnelle des bassins versant afin d’étudier le processus d’érosion et d’en évaluer l’impact potentiel sur les zones marines côtières. Pour ce faire, Dumas a choisi une modélisation multicritères combinant les facteurs de l’érosion les plus représentatifs (la pente, la nature du substrat, et l’occupation du sol). Cependant le facteur climatique n’a pas été retenu, Dumas considère que les précipitations sur toutes la Nouvelle Calédonie sont spatialement également réparties, c’est-à-dire que l’agressivité de la pluie sera homogène depuis la côte jusqu’en zone de montagne.
Le phénomène d’érosion a été ainsi étudié du point de vue des surfaces émettrices de particules solides et ne considèrera que peut le point de vue de transport de ces particules dans les cours d’eau et de leurs dépôts en aval. En partant d’une analogie avec l’hydrologie, il s’agit donc d’un
« modèle de production » de sédiments, et ne prend pas en compte la fonction de transfert (transport) des particules qui sur les grands bassins peut être constituée de plusieurs phases de dépôts et de transports avant d’atteindre la côte. (Dumas, 2010)

Table des matières

INTRODUCTION
I. METHODOLOGIE
I.1 Problématique et hypothèses
I.2 Synthèse bibliographique sur l’érosion dans un bassin versant
I.2.1 Le bassin versant et les sous-bassins versants
I.2.2 L’érosion
I.2.2.1 Définition
I.2.2.2 Mécanisme de l’érosion hydrique
I.2.2.3 Les facteurs de l’érosion hydrique
I.2.2.4 Actions de l’homme favorisant l’érosion hydrique
I.3 Panorama des méthodes d’évaluation de la vulnérabilité du sol à l’érosion
I.3.1 Méthodes quantitatives
I.3.1.1 L’équation de Wischmeier (1960) : le modèle USLE
I.3.1.2 Le modèle européen : Pan-European Soil Erosion Risk Assessment P.E.S.E.R.A (Musgrave 1947 in USDA)
I.3.2 Méthodes qualitatives : approches cognitives
I.3.2.1 La méthode de l’INRA (Le Bissonnais et al. 1998)
I.3.2.2 Les travaux de Dumas en Nouvelle Calédonie (2010)
I.4 Matériels et méthodes
I.4.1 Quelle méthode utilisée dans cette étude ?
I.4.2 Cadre opératoire
I.4.3 La zone d’étude
I.4.3.1 Climat
I.4.3.2 Régime hydrographique
I.4.3.2 Géomorphologie et Pédologie
I.4.3.3 Occupation du Sol (couverture végétale)
I.4.3.4 Erosion dans l’Alaotra Mangoro
I.4.4 Matériel
I.4.4.1 Le modèle numérique de terrain (MNT)
I.4.4.2 La Carte pédologique
I.4.4.3 La Photo-satellite
I.4.5 Les zones étudiées et cartographiées
I.4.6 Les logiciels de télédétection et de SIG
I.4.7 Démarche méthodologique
I.4.7.1 Le facteur pente
I.4.7.2 La pédologie
I.4.7.3 L’occupation du Sol
I.4.7.4 Les proportions de surfaces des classes de vulnérabilité (en %)
I.4.8 Combinaison des facteurs pour établir la carte multifactorielle de la vulnérabilité du sol à l’érosion (arbre de décision de la méthode de Dumas, 2010)
II RESULTATS ET INTERPRETATIONS
II.1 Les cartes des vulnérabilités mono-factorielles à l’érosion
II.1.1 Vulnérabilités en fonction de l’inclinaison du terrain
II.1.2 Vulnérabilités en fonction de la pédologie
II.1.3 Vulnérabilités en fonction de l’occupation du sol
II.2 Les cartes des vulnérabilités multifactorielles à l’érosion
III DISCUSSIONS ET RECOMMANDATIONS
III.1 Discussions
III.1.1 Discussions sur la méthode
III.1.2 Discussions sur les résultats
III.1.2.1 Les cartes des vulnérabilitsé en fonction de la pente
III.1.2.2 Les cartes des vulnérabilités en fonction de la pédologie
III.1.2.3 Les cartes des vulnérabilités en fonction de l’occupation du sol
III.1.2.4 Les cartes de vulnérabilités multifactorielles à l’érosion hydrique
III.1.3 Conclusions sur les hypothèses
III.1.4 Élaboration d’un plan de gestion et d’aménagement
III.2 Recommandations
III.2.1 Perspectives pour l’amélioration du travail
III.2 .2 Recommandations pratiques pour l’utilisation des résultats (un exemple pratique)
CONCLUSION
REFERENCES
ANNEXES

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