guide des pratiques hydrologiques sur les petits bassins versants

COMITE INTERAFRICAIN D'ETUDES HYDRAULIQUES L'Institut franais de recherche scientifiquepour le dveloppement en coopration

GUIDE DES PRATIQUES HYDROLOGIQUES

SUR LES PETITS BASSINS VERSANTS RURAUX

EN AFRIQUE TROPICALE ET EQUATORIALE

J-F NOUVELOT

Etude finance par le Fonds d'Aide et deCoopration de la Rpublique Franaise Mars 1993

, 11 ( ,1

COMITE INTERAFRICAIN D'ETUDES HYDRAULIQUES L'Institut franais de recherche scientifique

pour le dveloppement en coopration

GUIDE DES PRATIQUES HYDROLOGIQUES

SUR LES PETITS BASSINS VERSANTS RURAUX

EN AFRIQUE TROPICALE ET EQUATORIALE

J.F. NOUVELOT

Etude finance par le Fonds d'Aide et de

Coopration de la Rpublique Franaise2 ,. NOV. 19.93

Mars 1993

Copyright 1993 C.I.E.H. - ORSTOM

Traitement de texte: Muriel TAPIAU

Bureau de dessin: Jean-Pierre DEBUICHEMarc SUAVIN

SOMMAIRE

PREFACE 5

INTRODUCTION 7

PARTIE 1: PRINCIPES DE L'HYDROMETRIE SUR PETITSBASSINS VERSANTS RURAUX 9

1.1. Dfmition et objectifs Il1.2. Choix des systmes de bassins 14

PARTIE II: PRATIQUE DES MESURES 25

2.1. Prcipitations 282.2. Eaux de surface 422.3. Observations climatologiques 912.4. Erosion mcanique 1102.5. Infiltration 1412.6. L'eau dans la zone non sature 1522.7. Eaux souterraines 1622.8. Qualit des eaux 1852.9. Relevs complmentaires 196

PARTIE III : TRAITEMENT DES DONNEESET PUBLICATION DES RESULTATS 211

3.1. Archivage et traitement des donnes 2133.2. Rapports et publications 241

PARTIE IV : ORGANISATION LOGISTIQUEET EVALUATION DES COUTS 267

4.1. Organisation logistique et humaine des observations et mesures 2694.2. Evaluation des cots , 277

PARTIE V: PRESENTATION DE CAS-TyPES 287

5. 1. Bassins naturels 2895.2. Bassins amnags 370

ANNEXES 389

Annexe 1: Carte d'implantation des diffrents bassins reprsentatifs et exprimentaux en Afriquede l'Ouest et du Centre francophone 391

Annexe 2: SynLhse des diffrents dispositifs de mesures et d'observation utiliss sur 127 BVREruraux africains 393

Annexe 3: Fiches types 397Annexe 4: Bibliographie Lhmatique 411Annexe 5: Bibliographie - rpartition par pays 447Annexe 6: Inventaire par pays 495

TABLE DES MATIERES

- 3 -

PREFACE

Editer un "Guide des pratiques hydrologiques sur les petits bassins versants ruraux en Afrique tropicale etquatoriale" en 1992, alors que l'exploitation de tels bassins a commenc dans cette partie de l'Afrique il y a plusde trente ans et est la base de nombreuses tudes de synthse, pourra surprendre certains spcialistes del'hydrologie africaine.

Pourtant, cette publication rpond une double demande. La premire a t exprime par plusieurshydromtristes des services hydrologiques des Etats membres du CIEH qui sont de plus en plus sollicits par despartenaires divers tels que services d'amnagement, bureaux d'tudes, universitaires pour excuter des campagnesde mesures sur des petits bassins ruraux. La seconde mane des oprateurs des projets de dveloppement rural,d'envergure rduite, qui souhaitent amliorer leurs connaissances du milieu avant d'entreprendre des travauxd'amnagement et sont pour cela la recherche de documentation pertinente.

Les pratiques hydromtriques sur des bassins de petite superficie des fins d'amnagement ou de rechercheont des effets, des spcificits qui les diffrencient des pratiques sur les rseaux de base. Le nombre de paramtres mesurer, la densit des postes de mesure, la frquence leve des mesures sont parmi ces spcificits qui exigentque les protocoles de mesure et l'organisation logistique soient prpares avec rigueur et minutie pour viter toutedfaillance matrielle et humaine et, par l. supprimer tout risque de perte d'infonnation.

En effet, une campagne de mesures sur un petit bassin a pour objectif d'tablir un bilan des lments ducycle hydrologique. Que la chronique des mesures d'un paramtre soit incomplte par suite d'une panne d'uninstrument ou d'une erreur de manipulation, et le bilan d'une saison sera alors compromis ou au mieux imprcis.Ce guide a donc pour but premier de fournir, sous une fonne pratique, tous ceux qui entreprennent des travauxhydrologiques sur petits bassins versants, des indications prcises et concrtes sur toutes les oprations deprparation des campagnes, d'excution des mesures sur le terrain, de traitement des donnes et de prsentation desrsultats. Ces deux derniers points mritent toute l'attention des techniciens car ils reprsentent la phase finale dela campagne par laquelle l'infonntaion recueillie est restitue et le travail de terrain est valoris.

Par la large diffusion souhaite pour ce guide, le CIEH espre aussi unifonniser les pratiques dansl'ensemble de la sous-rgion. Un petit bassin versant est, en gnral, choisi pour sa reprsentativit de conditionsmorphoclimatiques particulires, et fait partie d'un chantillon de bassins judicieusement implants pour couvrirune gamme varie de ces conditions. Il est donc tout fait recommand que les procdures de mesures etd'laboration des donnes sur l'ensemble des bassins de l'chantillon soient relativement proches les unes desautres pour faciliter par la suite la prparation des tudes de synthse.

Ce guide est le fruit d'un important travail de rassemblement de documentation et d'tudes de cas provenanten grande partie de l'Orstom. Il tait en effet essentiel que toute l'exprience acquise par les hydrologues de cetInstitut au cours des trois dernires dcennies soit capitalise et transmise aux plus jeunes gnrations quiprennent le relais dans les services hydrologiques nationaux.

L'hydrologie est une discipline exprimentale par excellence qui exigera toujours, surtout dans un contexteenvironnemental volutif, des donnes issues du terrain pour progresser dans la comprhension des processus tantquantitatifs que qualitatifs du cycle de l'eau. Ce guide devrait pouvoir apporter une contribution significative dansle domaine des travaux hydromtriques au bnfice et de la recherche scientifique et des projets de mise en valeurdu monde rural.

Le Secrtaire Gnral du CIEH

AmadouDIAW

- 5 -

Guide des pratiques hydrologiques sur petits bassins

INTRODUCTION

Les services hydrologiques des Etats de l'Afrique francophone intertropicale sont frquemment sollicits,par les services d'amnagement hydraulique, pour fournir des donnes hydropluviomtriques sur des bassinsversants ruraux dont la superficie n'excde pas quelques centaines de km2. Bien que diverses mthodes detransposition des informations disporbles des bassins non observs aient t proposes par diffrents auteurs,certains organismes techniques ou de recherche sont souvent amens s'engager dans des campagnes de mesureset d'observations, afin de mieux apprhender les divers phnomnes hydro-climatiques.

Dans le but de fournir ces institutions des rfrences sur des expriences dj menes dans des contextesphysico-climatiques similaires, le Comit Interafricain d'Etudes Hydrauliques (CIER) ajug opportun de mettre leur disposition un document technique traitant des divers aspects des pratiques hydrologiques propres ce typed'tudes.

Le savoir-faire des hydrologues de l'Orstom (l'Institut de recherche scientifique pour le dveloppement encoopration) dans ce domaine, assis sur une exprience de quarante ans de travaux tant en Afrique de l'Ouest et duCentre qu'en Afrique du Nord, Madagascar, en Amrique Latine, aux Antilles ou en Ocanie, a amen le CIEH confier cet organisme, par l'intermdiaire de son Dpartement des eaux continentales (Dec), dans le cadre d'uneconvention signe en mai 1990, la rdaction de ce document guide.

L'ouvrage comprend cinq parties:

La partie 1 dfirt, tout d'abord, la place des bassins reprsentatifs et exprimentaux dans le cadre gnral de larecherche hydrologique. Puis, sont exposs les diffrents critres utiliss pour le choix des zones tudier etla slection des bassins.

La partie 2 traite des diffrents phnomnes mesurer en prcisant: le dispositif exprimental mettre enplace, l'instrumentation, les travaux d'installation, les protocoles de mesures.

La partie 3 aborde, ensuite, l'archivage et le traitement des donnes aux diffrents stades des tudes, aveccertaines orientations gnrales pour l'interprtation des rsultats; puis des plans-types sont proposs pourles diffrents rapports et publications.

La partie 4 fournit des lments pour l'organisation logistique et humaine, ainsi que pour la prsentation d'unbudget-type.

La partie 5 prsente, enfin, plusieurs exemples d'tudes effectues tant sur des bassins naturels que sur desbassins amnags.

En annexe figurent:

une carte d'implantation des 127 ensembles de bassins ruraux rpertoris ;

une synlse des diffrents dispositifs de mesures et d'observations utiliss sur ces 127 ensembles;

des fiches-types pour l'archivage et certains traitements des donnes ;

une liste bibliographique lmatique ;

une liste bibliographique, classe par pays, concernant l'ensemble des bassins;

un inventaire dtaill de ces diffrents bassins.

- 7 -

PARTIE 1

PRINCIPES DE L'HYDROMETRIE SUR

PETITS BASSINS VERSANTS RURAUX


1.1. DEFINITION ET OBJECTIFS

Principes de l'hydromtrie

Le concept de bassin versant reprsentatif a depuis les annes 30 sensiblement volu. li s'agissait l'origine, par une approche analytique, de distinguer, sur des cas choisis (d'o une ncessaire notion dereprsentativit), les facleurs explicatifs dominanls du ou des phnomnes hydrologiques lUdis et d'en prciserquantitativememl'action l'aide de mesures appropries. Une lelle analyse ne pouvait s'envisager que sur desbassins versanls de Laille relativement modeste, o la variabilit du milieu physico-climatique n'est pasexcessive. L'appellation "Bassins Versanls de Recherche et Exprimemaux" est aujourd'hui couramment utilise(UNESCO, OMM) la place de "Bassins Versanls Reprsentatifs et Exprimentaux". Plus rcemmenl, a tintroduile en Europe la notion de "Bassins Versanls de Rfrence pour l'Environnement (ou les Ecosyslmes)".Nanmoins, quelle que soill'appellation ou la dfinition adopte, le sigle BVRE reSle communmem utilis,celui de BRE lant rserv aux bassins de rfrence.

Dans le conlexLe africain, o la demande d'information hydrologique est intimement lie aux impratifs dedveloppemenl, les tudes menes sur petils bassins ont essentiellement une finalit pratique. Elles doiventpermettre, partir de courles priodes d'observation mettant en vidence les mcanismes de l'coulement, deprciser cerlaines donnes ou d'amliorer cerlaines extrapolations. Les exemples sont nombreux et concernent desamnagemenls trs divers:

Calcul des dbouchs d'ouvrages d'axes routiers ou ferroviaires, ou des caractristiques des dversoirs depetiLS barrages, pour lequel il est impensable de procder une tude hydrologique exhaustive sur leLerrain, son cot risquant de dpasser le cot du gnie civil.

Un groupe de bassins reprsentatifs de chaque type de sol, de relief ou de couverture vgtale desdiffrenLeS rgions traverses est alors amnag. C'est la mthode utilise, par exemple, pour le tracdu chemin de fer Transcamerounais: Douala-Tchad, le long duquel cinq ensembles de bassins ont tanalyss.

ElUde de la crue de projet de grands barrages dont la gense dpend du mcanisme des apporls dediffrentes rgions naturelles. L'lUde du barrage de Kouillou au Congo en est un exemple.

Etude de l'alimentalion naturelle ou des potenlialils de ralimentation artificielle des nappessouLerraines (lUde des grs de Garoua au Cameroun).

Etude des fms agricoles: l'irrigation principalement (bassins de Djiguinoum au Sngal).

Alimentation en eau des zones rurales ou des agglomrations.

Jusque dans un pass relativement proche, ces techniques ont t utilises en phase "projet" des ouvrages.Elles peuvent galement tre utilises en phase "exploitation" des amnagemenls. Ainsi, le suivi hydromtriquede petites reLenues aurait intrt tre inLensifi pour atteindre une meilleure connaissance des apporlS, desvolumes soutirs et des volumes dverss. Les rsultals pourraient tre exploits pour la conception de nouveauxouvrages et pour les tudes sur l'utilisation et la gestion des ressources en eaux.

Les paramtres lUdier, intimement lis aux objectifs, sont donc trs varis :

volumes d'coulement annuels el/ou saisonniers,

dbils de crues exceptionnelles,

dbils d'tiages,

volumes d'apporlS solides (dans les reLenues) ou d'rosion (sur les bassins),

rgimes et systmes d'alimentation des eaux sOUlerraines,

donnes sur la qualit des eaux.

Aprs un grand dveloppement dans les annes 60, les tudes sur petils bassins om connu unralentissement sensible ds la fin des annes 70. Actuellemem, mis part les nombreuses oprations inities enGuine (dans le Nord du pays et le Fouta-Djalon), les tudes menes concernent essentiellement l'hydrologie desbas-fonds (Sngal, Burkina-Faso et Mali).

- II -

Guide des pratiques hydrologiques sur petits bassins Principes de l'hydromtrie

L'implantation de bassins reprsentatifs peut avoir d'autres finalits que celles lies des applicationspratiques immdiates. Parmi les plus importantes, peuvent tre cites :

1. Complment du rseau hydromtrique de base

Les BVRE, de par leur taille, fournissent des infonnations complmentaires de celles collectes sur lesrseaux hydromtriques de base. C'est particulirement le cas dans les pays africains o, abstraction faite desmoyens matriels, financiers ou humains ncessaires, l'tendue des territoires et les difficults d'accs rendentdifficile, voire impossible, l'installation et surtout l'exploitation de rseaux hydromtriques de densitsuffisante sur les petits et moyens cours d'eau. L'exprience montre que, compte tenu des difficultsd'exploitation, le nombre de stations hydromtriques de petits bassins donnant des rsultats satisfaisants, eugard aux dpenses engages, est trs souvent drisoire. La solution de remplacement consiste restreindre lerseau de stations un petit nombre de bassins reprsentatifs des zones, ou rgions, souffrant d'une carenced'infonnation. Sur ces bassins, un rseau pluviomtrique suffisamment dense pennet. grce des modlespluie-dbit plus ou moins complexes, d'utiliser les sries statistiques de longue dure des stationspluviomtriques, disponibles l'chelle rgionale dans la plupart des pays. Le rle des facteursphysiographiques : sol, tat de surface, pente, couvert vgtal, ete., peut galement tre analys dans le but defaciliter le transfert de l'infonnation des bassins non observs. Cette mthode, bien adapte entre autres l'tude des crues, a t utilise par l'Orstom, tant en Afrique que dans les Dpartements et Territoires d'Outre-Mer ou en Amrique Latine. Elle a donn de bons rsultats dans le Nord-Est du Brsil, o une couverture depetits bassins reprsentatifs exploits quelques annes (deux cinq ans gnralement) a t rpartie sur uneaire gographique de plus de un million de km2.

2. Mise au point, rglage et contrOle des modles

Les facilits offertes par les BVRE pour la mise au point, le rglage et le contrle des modles mathmatiquespennettent d'amliorer les mthodes de calculs, de prdtennination ou simplement d'valuation de laressource en eau prise dans son sens le plus large.

Les techniques de modlisation trouvent ici une justification, par le fait que la transposition des mcanismes des bassins non observs est beaucoup plus efficace que la transposition des rsultats brutes, qui s'avre biensouvent dcevante.

3. Suivi des changements long terme des cosystmes

Le suivi des changements long tenne des cosystmes concerne aussi bien les milieux naturels noninfluencs directement par les activits humaines (on parle alors de bassin repre), que les milieux soumis une influence humaine nonnale pour la rgion tudie (bassin tmoin). Pour P. Dubreuil (118), il s'agitindistinctement de bassins de rfrence.

11 faut bien admettre que la localisation de bassins repres, libres d'intervention humaine pour une priodesuffisamment longue pour que puissent tre perus d'ventuels changements, est un souhait optimal qui paratdifficile atteindre, y compris dans les pays en voie de dveloppement Pour ces derniers, o l'impact desactions anthropiques sur les milieux est de plus en plus sensible et risque de prsenter un caractreirrversible, l'intrt devrait se porter sur l'installation de bassins tmoins.

4. Suivi des interventions anthropiques intensives

Le suivi des interventions anthropiques intensives s'intresse, plus particulirement. aux changements subispar les diverses composantes du cycle hydrologique, sous l'influence des modifications de la couverturevgtale ou des pratiques culturales. De telles tudes ne peuvent tre menes que sur des bassins o lecomplexe sol-vgtation est relativement homogne, avec des caractristiques physiques unifonnes. Lessurfaces concernes sont ncessairement modestes: de l'hectare quelques lcm2. Ce sont des bassins qualifisd'lmentaires qui, de par leur taille et leur nature, se prtent parfaitement aux exprimentations. L'appellationde "bassins exprimentaux" est alors pleinement justifie.

Aprs une phase de calibrage, une ou plusieurs caractristiques sont modifies (gnralement l'une des fonnesd'occupation des sols : couverture ou pratique culturale) pour en mesurer l'effet sur le cycle hydrologique. Afmde faciliter les comparaisons, il est conseill d'utiliser un couple de bassins (bassins jumeaux), l'un servant derfrence, l'autre subissant la modification. il n'est pas ncessaire que les deux bassins soient rigoureusementde superficies identiques, un rapport 3 peut tre tolr. La mthode, qui consiste n'observer qu'un uniquebassin sur lequel on procde au traitement modificateur l'issue d'une premire priode d'observations, double

- 12-

Guide des praques hydrologiques sur pets bassins Principes de l'hydromtrie

le temps d'exprimentaon, mais limine les incertitudes lies la difficult de trouver des critresabsolument objectifs permettant d'assurer que deux bassins sont vraiment idenques.

5. Recherche fondamentale sur les processus hydrologiques

La recherche fondamentale sur les processus hydrologiques est l'origine des tudes sur bassins versantsreprsentatifs qui, ds les annes 3D, ont permis l'nonc des premiers concepts thoriques de l'hydrologieanalyque : hydrogramme unitaire de Sherman, lois de l'infiltraon de Horton. Le bassin est alors ulispour une tude fine des diffrents composants du cycle hydrologique: prcipitaons, vaporaon etvapotranspiraon. ruissellement, coulement retard, coulement de base, eaux dans la zone non sature dusol. eaux souterraines. Des mesures pour l'analyse de l'rosion mcanique ou chimique. voire de la pollutionnaturelle ou anthropique. peuvent galement y tre effectues.

Il est. cependant. relavement rare que ces divers thmes fassent. simultanment, sur le mme systme debassin. l'objet de recherches connexes, le programme d'acvits tant toujours orient en fonction deproblmatiques spcifiques inhrentes au milieu physico-climaque. Le qualificaf de "Recherche" convientparfaitement ce type de bassins.

6. Formation des hydrologues et des chercheurs

Grce aux moyens de mesures et d'observaons disponibles sur le terrain, ainsi qu' la connaissance desprocessus hydrologiques laquelle on peut parvenir, les BVRE reprsentent une excellente cole de formationpour les hydrologues.

- 13-

Guide des pratiques hydrologiques sur petilS bassins

1.2. CHOIX DES SYSTEMES DE BASSINS

1.2.1. NOTION DE REPRESENTATIVITE


Lorsque l'objectif poursuivi est essentiellement pratique, c'est--dire s'il s'agit de l'estimation decaractristiques hydrologiques pour un projet d'amnagement prcis, le problme de la reprsentativit du bassinversant ne se pose pas vraiment Il va de soi que les rsultats obtenus, voire les installations, pourront tout demme tre utiliss d'autres fins, entre autres, lors de synthses rgionales.

Lorsque l'objectif prsente un caractre plus gnral: extension de donnes, recherche fondamentale,influence des changements naturels des cosystmes, prvision hydrologique, l'implantation d'un bassinreprsentatif est alors moins circonstancielle et doit tre dtermine en fonction du contexte rgional. De cettereprsentativit, c'est--dire de l'homognit bassin-rgion, dpendra la possibilit d'extension ou detransposition des rsultats.

Les mthodes de rgionalisation hydrologique, dans les zones ou les pays ptissant d'un manqued'information, reposent sur des procds essentiellement cartographiques qui permettent. par "croisement" desfacteurs explicatifs dominants de l'coulement superficiel, de dlimiter un ensemble de rgions hydrologiqueshomognes, c'est--dire des rgions dans lesquelles on prsume une certaine similarit des caractristiqueshydrologiques. Le guide international des pratiques en matire de recherche sur les bassins reprsentatifs etexprimentaux, publi par l'UNESCO (131), donne en exemple les mthodes utilises sur le bassin du RioJaguaribe au Brsil, en Nouvelle Zlande et en URSS. On peut citer galement le travail effectu en 1974, parl'Orstom (129), sur l'ensemble du Nord-Est brsilien: sur une surface dpassant 1 500 000 km2, 229 zoneshomognes furent identifies et un programme pluri-annuel tabli pour l'implantation de 22 ensembles de bassinsreprsentatifs.

Le choix des facteurs de reprsentativit doit tre fait en fonction du contexte physico-climatique qu'il estpossible de dfinir par :

le climat: rgime des prcipitations, de l'vaporation, des tempratures, du vent. etc.,

le sol et le sous-sol, pris sous l'angle permabilit-infiltration,

le relief, reprsent gnralement par la pente,

la gomorphologie, traduite par certains paramtres morphomtriques (surface, forme, structure du

rseau hydrographique), ou les models,

la vgtation, sous son aspect de couverture du sol.

Toutefois, si un tel travail tait envisag pour certaines rgions, certains bassins, ou certains pays del'Afrique de l'Ouest, cette approche essentiellement dterministe, mais un tant soit peu empirique, pourrait,partant des observations hydro-climatiques recueillies durant plus de trois dcennies sur plusieurs dizainesd'ensembles de bassins reprsentatifs, voire sur certaines stations des rseaux gnraux, tre complte par uneapproche statistique. Cette dmarche, qui est d'ailleurs souvent la seule utilise lors de la transposition desrsultats des bassins non observs, permettrait non seulement un meilleur choix des facteurs explicatifs del'coulement, mais galement un choix moins arbitraire de leur hirarchisation. Il faudrait, galement, tenircompte de l'apparition et du rapide dveloppement de nouvelles techniques (la tldtection, par exemple), commede l'norme croissance des moyens informatiques, tant au Iveau de "l'hardware" que du "software". De tels outilsont favoris le dveloppement de systmes qui permettent le traitement et la gestion d'informations spatialisesde tous types. Les systmes d'informations gographiques (SIG), qui assurent l'intgration de donnes graphiqueset statistiques, sont. par exemple, parfaitement adapts aux tudes de rgionalisation. Ceci implique, et c'est lque se situe parfois le principal obstacle l'utilisation de telles techniques, que toutes les cartes thmatiquesreprsentant les diffrents facteurs slectionns aient t numrises et les donnes statistiques archives enbanques. Le fait qu'elles se prsentent sous des chelles diffrentes n'est plus alors un obstacle majeur.

La numrisation des documents cartographiques, effectue soit la table digitaliser, soit au scanner, ouprovenant directement d'images satellitaires, devrait porter:

- 14 -


sur les facteurs explicatifs slectionns :

isolignes du (ou des) facteurs climatiques,

cartes topographiques, ou modles numriques de terrain (MNI), pour le relief,

cartes des tats de surface, des sols, du sous-sol et de la vgtation;

Principes de l'hydromlrie

sur les caractristiques hydrographiques, pour lesquelles les MNT peuvent, galement, tre utiliss :

rseau hydrographique,

limites des bassins versants.

Le dcoupage d'un espace gographique en bassins versants prsente un caractre arbilraire puisqu'il dpenddu choix des exutoires. Il semble, cependant, difficile de s'en affranchir, si l'on admet qu'il n'est pas souhaitablede sparer, radicalement, la notion de rgion hydrologique de la notion de bassins versants. Une approche voisinede celle utilise pour la transposition des variables hydrologiques des bassins non observs, base sur lescaractristiques moyennes des bassins versants : prcipitations moyennes, pente moyenne, permabilit ouinfiltration moyenne, ete., est parfaitement envisageable, compte tenu des facilits offertent par les SIG. Lecroisement des facteurs dominants, qui revient une superposition des diffrentes cartes thmatiques, pourraitalors tre fait au niveau des bassins versants. Cette approche "globale" prsente l'avantage de respecter les limitesnaturelles de partage des eaux et surtout d'viter de pousser l'excs la zonation, excs invitable lors d'unesuperposition point par point (ou pixel) des diffrents facteurs. La principale difficult rside dans la dlimitationdes bassins "unitaires". Pas tant dans sa ralisation pratique qui peut, au moins partiellement, tre automatise,mais dans le choix des superficies considrer. Bien videmment, ce choix sera trIbutaire : du contexte physico-climatique pour lequel on recherche une certaine homognit, des documents cartographiques disponibles, maisgalement de l'aire couverte par l'tude. Pour une rgion de quelques milliers de km2, un dcoupage en bassins"unitaires" de 10 30 km2 semble satisfaisant; pour une rgion de plusieurs dizaines de milliers de km2, lesbassins choisis pourront avoir une surface variant entre 50 et 100 km2 ; enfm, pour une vaste rgion de plusieurscentaines de milliers de km2, ils dpasseront 100 km2. Ce dernier cas se situe la limite d'utilisation de lamthode, l'homognit physico-climatique des bassins "unitaires"tant alors difficilement assure. S'il s'agit decouvrir une aire gographique importante, il est possible qu'il soit ncessaire de la diviser en grandes rgionsphysico-climatiques l'intrieur desquelles les facteurs de reprsentativit pourront tre diffrents. Par exemple,Casenave et Valentin (725), s'appuyant sur les travaux de diffrents pdologues et hydrologues couvrantl'ensemble de l'Afrique de l'Ouest francophone, ont montr qu'il tait possible de hirarchiser, en fonction d'unergionalisation phytopluviomtrique, les facteurs intervenant sur l'hydrodynamique superficielle.

1.2.2. BASSINS REPRESENTATIFS

1.2.2.1. PRINCIPES GENERAUX

Lors du choix d'un bassin reprsentatif, deux approches contradictoires sont possibles. On peut en effetconsidrer :

soit que les facteurs de reprsentativit doivent tre aussi proches que possible de leur valeur"moyenne" dans l'ensemble de la rgion;

soit, au contraire, que le bassin doit contenir toute la gamme de variation des facteurs.

La premire conception, la plus ancienne, a parfois t utilise, principalement lors des premiresimplantations ralises par l'Orstom. La seconde s'appuie sur le corollaire qu'un bassin d'une certaine tendue estun ensemble gnralement complexe, dont les caractristiques hydrologiques observes l'exutoire sont larsultante de tous les processus lmentaires gnrs sur les diffrentes units homognes. Un bassin, mme defaible superficie, est rarement homogne dans sa totalit. Il est constitu d'au moins trois units rparties entoposquence, avec des sols caractristiques des plateaux, des pentes et des bas fonds de valle. C'est l'associationde ces diffrentes units qui permet dans la pratique de dfmir le bassin "type".

Pour des conditions climatiques dtermines, abstraction faite du relief, la formation de l'coulement

- 15 -

Guide des pratiques hydrologiques sur petits bassins Principes de l'hydromlrie

dpend. essentiellement, de l'association sol-tat de surface (ce dener incluant le couvert vgtal). Le rle de cetteassociation ne peut tre quantifi qu'en tudiant le bilan hydrique d'units homognes.

De ces divers constats, est ne la ncessit d'effectuer des tudes sur bassins "types" (ou bassinslmentaires) et, plus tard, des tudes telles que celles menes l'aide d'un simulateur de pluie par certainshydrologues et pdologues de l'Orstom. Bien que ces deux approches concernent des surfaces sensiblementdiffrentes (bassin versant et parcelle de 1 m2), elles procdent de la mme dmarche qui peut se rswner ainsi: larsolution d'une intgrale exige la connaissance des lments diffrentiels. Ceci suppose, qu'une fois cetteconnaissance acquise, on possde la cl d'intgration.

Instrument d'analyse, le bassin "type" permet aussi l'tude de certains aspects particuliers :

sparation des phases de ruissellement dans et hors du rseau hydrographique,

alimentation des nappes phratiques en relation avec le complexe sol-vgtation et la pluviosit.

Cependant, les relations mises en vidence sur une catgorie de bassins (ou de surfaces) ne sont pasncessairement applicables des bassins plus grands. L'analyse des caractristiques hydrologiques d'une zone"homogne" suppose donc le choix d'un ensemble de bassins de superficies diffrentes. Pour des raisonsinhrentes la fois au milieu physico-climatique qui obit une certaine cohrence spatiale, et aux conditions degestion des installations (cot, exploitation, ete.), les bassins retenus seront de prfrence embots ou contigus.

En Afrique de l'Ouest, un ensemble "type" de bassins pourrait comporter:

deux bassins reprsentatifs rpartis dans les classes la -30 / 50 km2 et 30 / 50 - 100 km2 ;un trois bassins lmentaires (ou types) de quelques centaines d'hectares quelques km2 suivant lecontexte physiographique (rarement plus d'une dizaine de km2, mme en zones arides) ;

un bassin, parfois qualifi de "grand", d'une superficie de 100 500 km2 englobant si possible lesautres bassins.

L'tude de "grands" ensembles, parculirement dans les zones sahliennes o des phnomnes dedgradation hydrographique apparaissent frquemment lorsque les aires de drainage dpassent quelques dizaines dekm2, peut prsenter tout d'abord certaines difficults d'ordre mtrologique sur le terrain, mais aussi au niveau dutraitement et de l'exploitation des donnes (pour la modlisation des crues, par exemple).

Il est certain que le choix d'un bassin reprsentatif n'est jamais parfait Ce n'est seulement qu'au terme del'interprtation des rsultats que l'on peut juger de sa pertinence. Pour J. Rodier (137), l'essentiel est que ce choixne soit pas trop dfectueux et que, si ncessaire, on sache apporter les corrections aux donnes recueillies pourpouvoir les transposer d'autres bassins non observs.

1.2.2.2. CRITERES DE SELECTION

1.2.2.2.1. CHOIX DE LA REGION HYDROLOGIQUE

La rgion hydrologique tudier, dfmie, suivant les objectifs et les moyens utiliss, par la conjugaisonplus ou moins quantitative d'un certain nombre de facteurs explicatifs, peut occuper plusieurs zonesgographiques distinctes. Le choix entre ces divers secteurs se fera en considrant diffrents critres qui peuventtre hirarchiss :

1. Disponibilit de documents photographiques et cartographiques.

Les documents photographiques peuvent tre:

des photographies ariennes : en Afrique de l'Ouest et du Centre se sont essentiellement desphotographies au 1/50 OOOme mulsion panchromatique ou infra-rouge, cette dernire prsentantl'avantage de ragir l'humidit. Trs localement, existent des couvertures dont l'chelle, suivant lesapplications qui en ont t faites, varie du 1/15 ooome au 1/100 OOOme, avec parfois des photos

- 16-


"couleur" (naturelle ou infra-rouge).

des images satellitaires : LANDSAT dfilement hliosynchrone ou Spot


Les documents cartographiques, moyenne ou grande chelle, ncessaires incluent non seulement les cartestopographiques, mais galement l'ensemble des cartes ilimatiques utiles pour le choix des bassins, et,ultrieurement, lors de l'interprtation des rsultats :

cartes des caractristiques climatologiques permettant de juger de l'exposition des sites potentiels,

cartes gologiques el/ou hydrogologiques,

cartes pdologiques et des tats de surface,

cartes de la vgtation et de l'utilisation des sols,

cartes des amnagements existants (essentiellement hydrauliques), et des projets d'amnagements.

Les documents petites ou moyennes chelles (1/200 ()()()me et en de) conviennent au niveau d'une pr-prospection, mais sont trs insuffisants pour l'exploitation de bassins dont la superficie est trs souventinfrieure 50 km2. Les levs complmentaires, qui sont frquemment effectus lors des tudes, ne peuventmalheureusement que rvler, a posteriori, une erreur d'implantation.

A titre indicatif, les limites d'emploi des documents cartographiques peuvent tre les suivantes:

1/1 000 000

1/ 500 000

1/ 200 000

1/ 100 000

1/ 50000

1/ 25000

1/ 10 000

Surface du bassin

1000 km2

250 km2

50 km2

10 km2

2,5 km2

0,5 km2

0,1 km2

2. Prsence de stations pluviomtriques, hydromtriques, climatologiques ou pizomtriques. Desrenseignements sur la qualit de l'information disponible et la longueur des chroniques d'observations sontgalement trs utiles.

3. Absence de projets d'amnagement risquant d'avoir, en cours d'tudes, une incidence non ngligeable sur lesprocessus hydrologiques: axes routiers, voies ferres, retenues, prises d'eau, amnagements agricoles divers(irrigation, modifications apportes l'utilisation et au traitement des sols), ete.

4. Niveau de dveloppement des infrastructures rgionales.

L'accessibilit des bassins doit tre relativement satisfaisante, y compris, si possible, en saison des pluies. Laprsence d'un village, voire d'un centre plus important ou d'une quelconque structure d'accueil, est galement prendre en considration. L'installation des quipements ainsi que leur exploitation en seront facilites.

5. Caractristiques du rseau hydrographique.

Un examen des cartes chelle moyenne (1/200 ()()()me, par exemple) et si possible des photographiesariennes permet de juger rapidement de la reprsentativit du rseau hydrographique (forme gnrale,exposition, ete.), ainsi que de la possibilit de trouver des bassins versants rpondant au programme d'tudes(paragraphe 1.2.2.1).

- 17 -


1.2.2.2.2. CHOIX DES BASSINS


L'hydrologue travaille un peu la manire du biologiste qui chaque fois qu'il souhaite affiner sesrecherches augmente le grossissement de son microscope. Le processus itratif s'effectue en utilisant des jeux dedocuments cartographiques d'chelles croissantes. Ainsi, une fois la zone de travail slectionne, est localis uncertain nombre d'ensembles de bassins, de prfrence embots, ayant sensiblement les superficies souhaites.Leur reprsentativit est vrifie par une estimation rapide des facteurs conditionnels dominants choisis pourrpondre un objectif spcifique ou, plus gnralement, pour satisfaire aux critres de dfinition des zones demme comportement hydrologique.

Le choix dfmitif ne peut tre fait sans une prospection minutieuse de terrain. Toutefois, pour limiter lesdplacements, raliss parfois dans des conditions difficiles, un certain nombre de critres peuvent. comme pourle choix de la rgion, tre pris en considration en utilisant des documents cartographiques ou photographiquesd'chelle grande ou moyenne:

1. La ligne de partage des eaux superficielles des diffrents bassins et sous-bassins doit tre aussi distincte quepossible pour une estimation, suffisamment prcise, de leur superficie. Lorsque la prsence d'une nappesouterraine est connue ou souponne, il est souhaitable que ses limites ne dpassent pas sensiblement cellesdu bassin topographique. Malheureusement, il est trs rare de disposer de documents hydrogologiquessuffISamment prcis pour effectuer a priori un tel contrle. Il est, par contre, plus facile d'valuer si des pertessouterraines sont possibles l'exutoire.

2. La prsence de sites favorables l'installation de postes ou stations d'observations et de mesures est vrifier.S'agissant principalement de stations hydromtriques, l'emploi de photographies ariennes avec visionstroscopique est gnralement ncessaire.

3. Les infrastructures locales s'valuent aux voies d'accs et de communications l'intrieur des bassins et dansles environs immdiats, ainsi qu' la prsence ou la facilit d'implantation de structures d'accueil pour lepersonnel et le matriel.

4. L'existence d'un potentiel humain pour le recrutement de travailleurs, tant pour la phase d'installation quepour celle d'exploitation des bassins, ou d'observateurs, peut tre dcisive.

5. L'absence de certaines anomalies importantes doit tre enfin contrle: grandes failles, karsts (dans lesfonnations calcaires, volcaniques ou grseuses en relation ou non avec le rseau hydrographique), zones dertention anonnalement dveloppes, ete. .

Mme si l'on dispose de cartes topographiques au 1/50 ooome, il sera fait, au moyen de photographiesariennes, une premire esquisse cartographique des systmes de bassins comprenant:

le contour des bassins et ventuellement des sous-bassins dj retenus,

le rseau hydrographique, avec les dpressions naturelles et les retenues artificielles, les zones humideset de dbordements,

les accidents gologiques ou tectoniques: failles, karsts, dolines, ete.,

les axes de pntration, avec les villages, les hameaux, les fennes,

les principales zones lithologiques et phytologiques, y compris les aires cultives.

La couverture de photographies ariennes pouvant tre plus ou moins ancienne (dans certains pays del'Afrique de l'Ouest. les dernires missions datent des annes 50), les images satellitaires pennettent, l'aide detraitements infonnatiques relativement peu onreux, d'laborer diverses cartes thmatiques l'chelle du1/50 OOOme. Ces documents apporteront une infonnation complmentaire, et surtout trs actualise, par rapport celle fournie par les photographies ariennes: changements intervenus dans les voies de communications, lerseau hydrographique, l'amnagement du territoire, l'occupation des sols, etc.

Cette esquisse cartographique sera trs utile lors de la prospection de terrain qui doit pennettre :

1. de choisir entre les diffrents systmes de bassins slectionns sur documents, en portant une attention

- 18 -

Guide des pratiques hydrologiques sur petilS bassins

particulire :


aux caractristiques du sol (y compris son occupation), la vgtation, au model, au sous-sol;

aux voies de communications: une enqute auprs des autochtones pennettra d'valuer l'tat desroutes, des pistes ou des chemins en saison des pluies. Il n'est pas rare que certaines pistes traces surles cartes ou apparaissant sur les clichs soient impraticables, mme en saison sche, caused'ornires, d'boulements, de ponceaux dtruits, ete. ;

la possibilit de recruter de la main-d'ouvre locale;

la prsence de matriaux de construction : sable, pierre, bois, argile, ete.

2. de rassembler et consigner dans un carnet de route le maximum d'infonnations :

kilomtrage et temps de parcours entre des points facilement localisables sur cartes ou sur clichs ;

nom d'observateurs potentiels ;

toponymie, non mentionne sur les cartes, de cours d'eau, de sites caractristiques, de villages ouhameaux;

hauteurs d'eau maximales observes en certains sites (cours d'eau ou retenues) : laisses de crues ouinformations fournies par les riverains;

traces de ruissellement ou d'rosion;

types d'activit humaine : agriculture (types de cultures, pratiques culturales), pche (barrages poissons), prlvements de matriaux (mme au niveau artisanal) et amnagements estivaux dans le litdes cours d'eau (radiers, seuils temporaires), carrires en exploitation ete. ;

prennit des coulements ou frquence d'asschement des cours d'eau ;

ouvrages existants: ponts, radiers pennanents, retenues, prises d'eau, digues, ete. ;

projets d'amnagements (essentiellement hydrauliques) non encore recenss ;

postes ou stations de mesures et d'observations hydro-climatiques n'appartenant pas aux rseauxgnraux.

3. de slectionner certains sites pour l'implantation des futures stations hydromtriques. Une bonne prcautionest d'avoir avec soi un dcamtre ou double-dcamtre souple, ou un distanciomtre de poche. La prospectiondes sites se fera en suivant un ordre logique, de. prfrence de l'aval vers l'amont.

La meilleure priode de l'anne pour effectuer ce travail se situe en dbut de saison sche: il est alorspossible d'observer aisment les laisses de crues, on peut juger des possibilits d'accs et, enfin, on dispose detoute la saison sche pour entreprendre les travaux d'installation.

1.2.2.2.3. CRITERES DE SELECTION DES SITES POUR L'IMPLANTATION DE STATIONSHYDROMETRIQUES

Une station hydromtrique installe sur un cours d'eau pour la mesure des dbits se caractrise par troissections diffrentes :

la section limnimtrique o se mesure les hauteurs du niveau d'eau,

la section de contrle siwe l'aval de la section limnimtrique, ou confondue avec elle (cas des seuilsjaugeurs), et de laquelle dpend la relation hauteur-dbit.

la section de jaugeage o s'effectue les mesures de dbit.

Les principales qualits rechercher seront donc:

Une bonne stabilit de la relation hauteur-dbit, assure par la prsence d'un contrle pennanent etvalable pour tous les niveaux d'eau. Bien qu'il soit dlicat d'apprcier la prennit, voire la prsence,d'un contrle, ou la stabilit du lit d'un cours d'eau, on minimisera les risques en recherchant un seuil

- 19 -


rocheux, ou au moins un bief sensiblement rectiligne constitu d'un matriel prsentant une bonnecohsion. Un pont ou un dalot peuvent parfois servir de contrle, mais on se mfiera des constructionsprcaires. Pour faciliter l'talonnage de la station, le site retenu doit permettre l'observation de tous lesniveaux d'eau et la mesure de tous les dbits, des plus faibles aux plus levs.

Une bonne sensibilit, traduite par le fait qu'une faible augmentation du dbit doit correspondre laplus grande variation possible du plan d'eau. On peut montrer, l'aide de formules traduisant lescoulements surface libre en rgime uniforme, que la sensibilit est d'autant meilleure que la sectionest troite et profonde, et les vitesses d'coulement faibles (fig. 1). On recherchera donc untranglement du lit, avec des berges stables, en vitant cependant les wnes fortes turbulences.

Un emplacement favorable l'installation d'chelles limnimtriques et d'un limnigraphe.

Une section de jaugeages. pas trop loigne de la station limnimtrique et d'accs relativement ais.Pour de petits bassins caractriss par des variations rapides du niveau d'eau, les techniques de mesuresutilises imposent de lire aisment les chelles depuis la section de jaugeages (paragraphe 2.2.2.3.1).

li est certain que ces conditions sont rarement runies dans la nature, et il sera trs souvent ncessaire deprvoir un certain nombre d'amnagements :

voies d'accs,

construction de contrles artificiels, parfois diffrents en fonction de la hauteur d'eau (paragraphe2.2.2.3.2.3.),

rtrcissement du lit par la construction de digues ou de batardeaux,

consolidation des berges.

Remargue:

Le choix dfinitif ne pourra souvent tre fait qu'aprs avoir nettoy, dbroussaill ou dsencombr le biefretenu sur une distance gale au moins dix fois sa.largeur. Dans les lits faible pente, frquemmentalluvionnaires, un relev topographique prliminaire permettra d'viter des erreurs grossires d'implantation. Desobservations sommaires, effectues au cours de la saison des pluies prcdant le dbut des tudes (chelles maxima implantes en diffrents sites, par exemple), peuvent galement tre trs utiles.

1.2.3. BASSINS EXPERIMENTAUX


Pour l'hydrologue, l'exprimentation au sens strict consiste analyser et valuer l'impact des activitshumaines sur le cycle de l'eau. Sur les bassins ruraux, elle concerne essentiellement les problmes dedboisement, reforestation, et modifications engendres par les cultures ou les pratiques culturales.

Le choix et l'organisation des systmes de bassins, qui sont comme soulign antrieurement (paragraphe1.1.) ncessairement de faible superficie (bassins lmentaires), dpendent du plan d'exprience. Leur nombre esten troite relation avec le nombre de facteurs considrer.

Pour tudier par exemple l'impact de la dforestation, en partant de l'hypothse que le sol, la pente et lergime des prcipitations y sont identiques, le suivi de deux bassins reprsente un dispositif minimum : unbassin avec le couvert forestier naturel, un autre o il a t supprim. Par scurit "statistique", il est malgr toutsouhaitable que plusieurs paires de bassins puissent tre observes. li n'est pas ncessaire, toutefois, qu'ils aientrigoureusement la mme superficie (paragraphe 1.1. [4]).

- 20-

section en V= sensible

-.

section large -- peu sensibleFig- 1 - SENSIBILITE D'UNE SECTION DE COURS D'EAU (D'APRES J.THIEBAUX)

,.-\9/6 1977 1978 1979 1980 1981 1982 1983 1984 1985

A

tAT URAGE " ---- ---- ---- --0TEMOIN

C "-VEnOER ---- ---- ---- -D

\.REcnu NATUREl ----E 1nEcnu + MISE A HU ---- -rH .... OIN

G ~\ ---- --- r-l'IN

HEUCl\lYPTUS --- ---- l-I 1I\Bl\ll IS TnAOIT!ONNEI ----JpTunl\GE ---- t-

Fig-2 - ECEREX - PROJET D'AMENAGEMENT DES BASSINS VERSANTS EXPERIMENTAUX

- 21 -


La mthode qui consiste tudier le mme bassin, avant et aprs modifications, limite le nombred'installations et diminue les facteurs d'incertitude lors de l'interprtation des rsultats, mais augmente la dured'exprimentation (paragraphe 1.1. [4]). Ainsi, dans le cadre du projet ECEREX men conjointement en Guyanepar le CTFT, l'INRA, le Museum National d'Histoire Naturelle et l'Orstom, on s'est attach mesurer les effetsque les transfonnations de l'cosystme primaire pourraient entraner sur l'quilibre des phnomnes d'coulementet d'rosion, contribuant ainsi valuer les consquences des diffrentes possibilits de mise en valeur sur lesfacteurs naturels de production eau-sol. Ces recherches comparatives menes sur dix petits bassins, dont deuxbassins tmoins non altrs en cours d'tudes, n'ont pas t ralises simultanment et ont ncessit unecaractrisation pralable, d'une dure d'au moins deux ans, des phnomnes dans l'cosystme original (fig. 2).


La ncessit d'effectuer des observations intensives sur de petites superficies induit certaines contraintes :

Le model et les conditions d'accs ne doivent pas tre un obstacle la ralisation des amnagements,traitements et observations ncessaires. Il faut, nanmoins, veiller ne pas introduire de modificationsparasites (pistes, tassements excessifs des sols, pitinement de la vgtation) qui rendraientl'interprtation des rsultats dlicate, voire errone.

La ncessit de disposer du sol en toute libert demande un accord pralable du ou des propritaires(particuliers ou collectivits). Dans certains cas, l'acquisition des terrains devra tre envisage.

Si la reprsentativit des observations pluviomtriques semble plus facilement garantie que sur unbassin de plus grande superficie, la mesure de l'coulement peut par contre s'avrer dlicate. Le sited'implantation de la station hydromtrique devra souvent tre amnag: ncessit de concentrer leseaux de ruissellement, de mesurer avec prcision hauteurs d'eau et dbits, d'viter les pertes par infro-flux ou par infiltration plus profonde dans le lit

Les particularits locales doivent absolument tre cartes.

1.2.4. PARCELLES EXPERIMENTALES


Les parcelles d'exprimentation reprsentent, ct du bassin exprimental, un instrument d'analysequantitative intressant. Si les premires d'entre elles ont t consacres l'tude des facteurs de l'rosion des sols,leur intrt dans l'analyse des processus hydrologiques n'a pas chapp aux chercheurs :

tude des modifications du bilan hydrique en fonction du couvert vgtal, de la pente (degr,longueur,exposition) ou du traitement du sol,

simulation physique des phnomnes hydrologiques,

tude de l'hydrodynamique des sols.

A cette chelle, le simulateur de pluie reprsente un excellent outil pour l'analyse des paramtres exerantune influence sur l'infiltration, le ruissellement ou l'rosion. La possibilit de fixer les caractristiques desaverses et l'tat d'humectation des horizons pdologiques, en testant diffrents types de sol, d'tat de surface, decouvert vgtal ou de pente, reprsente la fois un gain de temps et de prcision, les conditions aux limites oules phnomnes exceptionnels, difficilement observables dans la nature, pouvant tre reproduits volont.

Il est possible de diffrencier:

Les petites parcelles doru la dimension est de l'ordre du ml.

Utilises essentiellement, cause de leur maniabilit, sous pluies simules, elles pennettent d'tudierla dynamique de l'inftration et dans une certaine mesure la dtaehabilit des sols.

- 22-


- Les parcelles de quelques dizaines de ,r?-.


Utilises parfois sous pluies simules, ce qui engendre de lourdes infrastructures, mais plus souventsous pluies naturelles, elles permettent d'tudier, dans de bonnes conditions, le ruissellement en nappe(l'apparition de petites rigoles pouvant tout de mme tre observe). A la suite des nombreux travauxeffectus aux Etats-Unis et plus tard en Afrique, un standard voisin de 100 m2 (20 mtres de long sur5 mtres de large), assurant un contrle relativement ais des volumes liquides et solides, a t adopt.

- Les parcelles dites "de versants" pouvant atteindre plusieurs milliers de ,r?-.

Elles reprsentent un instrument d'analyse de l'coulement en nappe et en grosses rigoles, ainsi que desphnomnes d'rosion. Les mthodes de mesures et d'observations sont alors proches de celles utilisessur les petits bassins versants.

Le nombre et la situation des parcelles dpendent du nombre de facteurs tudier. L'interprtation desrsultats sera facilite si des bassins exprimentaux sont exploits conjointement (prise en compte du facteurd'chelle). L'tude des bassins versants de Mouda au Cameroun en est un exemple (1126).


Etant donn les faibles dimensions des parcelles, les contraintes de choix sont encore plus draconiennesque pour les bassins exprimentaux :

La pente doit tre uniforme.

Le couvert vgtal et les sols (y compris leur utilisation) doivent tre homognes.

L'coulement ne doit pas tre perturb par des modifications de surface involontaires: pitinements,traces de roues de vhicules, sentiers ou chemins, etc..

Les dlimitations doivent tre prcises. Dfinies souvent d'une manire artificielle, elles doivent tretanches avec des effets de bord peu sensibles. Les limites latrales sont, dans la plupart des cas,perpendiculaires aux courbes de niveau (paragraphe 2.4.2.2.1.).

Un dispositif doit permettre de recueillir et mesurer les eaux de ruissellement, ainsi qu'ventuellementles transports solides (paragraphe 2.4.2.2.1.). Certains systmes permettent parfois de mesurer ledrainage (vertical ou oblique) des sols.

- 23-

PARTIE 2

PRATIQUE DES MESURES

Guide des pratiques hydrologiques sur petils bassins Pratique des mesures

Le programme d'quipement de bassins reprsentatifs et exprimentaux dpend, abstraction faite descontraintes fInancires et des moyens en personnel, de deux critres fondamentaux: les objectifs poursuivis et lesconditions physico-climatiques de la rgion tudier.

La dmarche suivie devrait tre celle de toute dmarche scientifique, savoir la formulation d'unehypothse puis la vrification de cette hypothse par exprimentation. C'est la seule manire logique d'tablir unplan de mesures et d'observations.

Au niveau de la conception de programmes, l'hydrologue suit trs souvent une approche dterministe, sanstoutefois prjuger des mthodes utilises pour atteindre les rsultats recherchs. La fiabilit et le degr deprcision de ces rsultats tant valus au moyen de mthodes statistiques, la dure et la densit des observationssont deux caractristiques auxquelles il est important d'accorder, dans tous les cas, la plus grande importance. Laprise en compte du caractre alatoire des phnomnes hydro-climatiques par l'intermdiaire de stations derfrence bnficiant de longues chroniques d'observations (stations pluvio-climatologiques des rseaux gnraux,par exemple) permet, cependant, de rduire les dlais d'obtention des rsultats. Nanmoins, la notion de stationsde rfrence impose la connaissance de la variabilit spatiale de ces mmes phnomnes, qui ne peut tre obtenueque par des observations suffisamment denses.

La dure de vie d'un bassin reprsentatif se situe, suivant la variabilit des paramtres observs, entre deuxet cinq ans. Elle sera. par exemple, plus longue en zone sahlienne ou sub-dsertique qu'en zone quatoriale. Lesbassins exprimentaux, de par la nature des tudes qui y sont dveloppes, ncessitent., pour conduire desrsultats significatifs au sens de la statistique, des dures d'exploitation plus longues.

Dans de nombreux cas, les observations ralises concernent essentiellement les coulements de surface etles prcipitations, ces dernires tant l'origine de tous les apports, si l'on nglige les petites quantits d'eaucone rencontres parfois dans certaines nappes profondes. A ces mesmes, que l'on peut qualifier de minimales,peuvent, suivant les objectifs poursuivis, s'en ajouter d'autres:

l'vaporation des surfaces d'eau libre et l'vapotranspiration du sol et de la vgtation,

la circulation de l'eau dans la partie non sature des sols ou dans les aquifres,

l'rosion et la sdimentation,

le transport de matires dissoutes.

- 27-


2.1. PRECIPITATIONS

Pratique des mesures : prcipitations

L'eau contenue dans l'atmosphre est apporte par l'vaporation des swfaces d'eau libre (essentiellement lesocans) et par l'vapotranspiration des surfaces terrestres couvertes ou non de vgtation. Elle se trouveessentiellement sous fonne de vapeur d'eau, raison de quelques dizaines de grammes par m3 d'air. C'est lacondensation de cette vapeur d'eau qui produit les prcipitations.

Si l'on s'en tient aux manifestations les plus visibles des perturbations pluvieuses en Afrique de l'Ouest(localisation et volution spatio-temporelle de l'activit orageuse), quelques distinctions majeures peuvent trefaites:

Tout d'abord, les lignes de grains qui correspondent de grands systmes perturbs d'uneextension de 300 1 000 km. Ils se dplacent d'Est en Ouest, ou du Nord-Est au Sud-Ouest, environ40 km/h. Les prcipitations s'accompagnent d'une activit orageuse intense et une forte agitationatmosphrique, principalement au Nord de l'isohyte 1 000 mm. Ces orages d'extension limite secaractrisent par de violentes rafales de vent d'Est prcdant la pluie qui s'abat ensuite brutalemenL Lesintensits maximales s'observent en dbut d'averse. Le corps principal des prcipitations a une duresouvent infrieure une heure, mais il se prolonge par une trane faibles intensits sensiblementplus longue (plusieurs heures).

L'appellation populaire de "tornade", bien qu'image, doit tre carte en raison d'une significationdiffrente dans le vocabulaire mtorologique.

Ensuite, les pluies dites de "mousson" qui rsultent de turbulences et ascendances dues auxirrgularits du relief ou la rugosit de la surface terrestre (la vgtation, par exemple) sur le flux _ocanique. Ce sont des prcipitations abondantes et de longue dure qui couvrent de trs vastestendues, avec des intensits souvent trs soutenues pendant plusieurs heures. On les rencontre surtoutau Sud de l'isohyte 1 200 - 1 300 mm. Les pluies convection thennique, qui peuvent tre rattaches cette mme catgorie, sont beaucoup plus troitement lies au relief et plus localises. Elles sontlimites aux rgions soumises aux masses d'air quatoriale et tropicale maritimes.

2.1.1. CONCEPTION DES DISPOSITIFS D'OBSERVATION

Bien que certaines mthodes modernes aient l'ambition de fournir des informations pluviomtriques"surfaciques" (mesures par radar, dtection par satellites), les mesures ponctuelles, qualifies de "classiques",resteront encore longtemps les outils fondamentaux de l'hydrologie quantitative.

Sur les BVRE, ces mesures ont deux finalits essentielles: estimer les prcipitations moyennes l'chelledu bassin ou d'une certaine surface, rechercher les relations avec les diffrentes caractristiques hydrologiques(ruissellement, humidit du sol, coulement souterrain, rosion, ete.). Il est donc indispensable d'estimer, aussiprcisment que possible, les quantits d'eau prcipites, ainsi que leur rpartition dans le temps et dans l'espace.Apparat ainsi la notion de rseau pluviomtrique laquelle est lie la notion de densit qui, bien que relative,peut tre quantifie par une approche gostatistique. Des mthodes d'estimation des espacements moyens prvoir entre stations pluviomtriques ont t mises au point aux Etats-Unis et en France (Creutin, Obled,Lebel). Elles font appel la notion de longueur ou de porte de corrlation. Le problme rsoudre peut tre possimplement: "pour un type de prcipitations donn, quelle est la distance qui doit, en moyenne, sparer deuxpluviomtres pour obtenir un coefficient de corrlation choisi ?". Bien videmment, cette distance diminue avecle pas de temps d'observation. Pour cette raison, l'erreur d'estimation d'une pluie moyenne, calcule sur un bassinversant partir d'un rseau pluviomtrique donn, sera d'autant plus leve que l'intervalle d'observation seracourt. La densit doit donc s'apprcier par rapport au pas de temps auquel les donnes seront utilises. Qualifierun rseau de "dense" n'a de sens qu'au del d'une certaine dure d'observation.

On peut imaginer, en considrant les conditions d'isotropie respectes, qu'il est possible de dfmir l'aire S,couverte par un pluviomtre, par un cercle dont le rayon R correspond une distance telle que la corrlation r soitgale 0,90. Nous aurons, par exemple:

et,pourpour

.1t = 6 h

.1t = 15 mnS = 100 km2

S = 10 km2

Ces deux rseaux ont en thorie la mme densit utile. Dans la pratique, intervient galement le

- 28-

Guide des pratiques hydrologiques sur petits bassins Pratique des mesures : prcipitations

phnomne d'chantillonnage qui explique qu'un unique pluviomtre install sur un bassin de 10 km2 ne donnepas la mme infonnation que dix pluviomtres sur un bassin de 100 km2.

Dans la nature, les conditions d'isotropie sont rarement respectes. L'orographie, par exemple, peutperturber sensiblement la distribution spatiale des prcipitations. De plus, la prise en compte de la variabilit dumilieu physique (caractristiques des sols, du couvert vgtal, du chevelu hydrographique, ete.) dans l'tude desrelations pluie-dbit impose des contraintes supplmentaires dont il faudra tenir compte, lors de la mise en placedu rseau d'observations.

La dmarche suivre consisterait donc :

dfmir l'intervalle ou pas de temps de rfrence,

analyser la prcision souhaite dans l'estimation des prcipitations,

tudier au niveau rgional la structure ou les corrlations spatiales des prcipitations au pas de tempschoisi,

ventuellement. prendre en compte l'htrognit spatiale des caractristiques physiographiques.

il s'agit l d'un processus thorique irralisable, particulirement dans des rgions o les tudes sur bassinsreprsentatifs sont prcisment un palliatif au manque d'informations hydro-climatiques.

En se basant sur l'exprience acquise par les chercheurs de l'Orstom en zone intertropicale, le rseaupluviomtrique minimal pourrait, tous types d'appareils confondus (pluviomtres, pluviographes ou totalisateurs- paragraphe 2.1.2), respecter les normes suivantes :

1 km2

2 km2

5 km2

IOkm2

25 km2

50 km2

100 km2

500 km2

Nombre d'appareils

456

6 - 88 - 12

12 - 1515 - 2020 - 25

Il s'agit de valeurs moyennes qui correspondent des caractristiques physiographiques ne prsentant pasune trs forte htrognit. Lorsque les conditions climatiques ou gomorphologiques sont susceptibles deprovoquer une irrgularit spatiale notable (rgions fort relief ou zones arides, par exemple), les chiffresproposs devront tre majors, principalement pour les plus petits bassins. Sur les bassins o les caractristiquesdu ruissellement imposent de travailler avec des pas de temps trs courts (parfois de l'ordre de cinq minutes),l'emploi d'appareils enregistreurs est impratif. Leur nombre sera souvent limit par des contraintes d'ordreconomique ou de capacit de traitement de l'information; on s'efforcera. malgr tout, qu'il ne soit pas infrieuraux valeurs suivantes:

S < 5 km2

S = 10 km2

S =25 km2S > 25 km2

Nombre de pluviQgraphes

123

20 % du tolaI des appareils

Dans la pratique, le plan d'implantation d'un rseau pluviomtrique se prpare partir de photographiesariennes, et de cartes topographiques et thmatiques. On recherche, a priori, une distribution hannonieuse quitienne compte cependant des voies d'accs et des particularits physiographiques. il est indispensable que bonnombre d'appareils soient accessibles en toutes saisons, soit pied (pour les petits bassins), soit bicyclette, vlomoteur ou motocyclette, suivant la distance parcourir. La consigne d'exploitation sera, au moins pour lespetits bassins, d'effectuer les relevs aprs chaque averse. Les appareils enregistreurs ayant une vitessed'avancement compatible avec le pas de travail choisi doivent aussi tre distribus de manire quilibre. Dans leszones d'accs difficiles, seront utiliss des appareils enregistreurs ayant une capacit de stockage ou

- 29-


d'enregistrement importante, ou des pluviomtres totalisateurs moins prcis que les prcdents, mais plusconomiques. Ces derniers pourront servir galement de moyen de contrle des pluviomtres classiques, lesrelevs des deux appareils placs cte cte tant effectus par des personnes diffrentes.

Lorsque le dispositif de mesures et d'observations compte diffrents bassins embots, les rseauxpluviomtriques prsentent ncessairement une certaine htrognit, les plus petits bassins ayant une densitd'appareils suprieure celle des bassins qui les englobent (fig. 3).

2.1.2. CHOIX ET INSTALLATION DE L'INSTRUMENTATION

Le choix des appareils est command par de nombreux facteurs: le pas de temps de travail, le type deprcipitations (hauteur-dure), les conditions de circulation dans la zone d'tude, les conditions climatiquesauxquelles ils sont soumis (hautes tempratures, forte vaporation, ete.), la capacit de stockage requise, l'objectifde l'tude.

Il est important de souligner que dans de nombreux cas il n'est pas ncessaire de connatre la hauteurpluviomtrique tombant effectivement sur le sol (les appareils couramment utiliss ne le permettent d'ailleurspas). Par contre, cette donne est indispensable au calcul du bilan hydrique exact d'un systme hydrologique, auniveau d'une parcelle par exemple, ou dans la plupart des applications agronomiques. Un dispositif de mesurespcial doit alors tre install (pluviomtre au sol).

Lors du choix du type d'appareil, une sage prcaution sera de respecter les normes en vigueur dans le paysou la rgion concern. L'exploitation et l'interprtation des observations, comme la maintenance des appareils,s'en trouveront facilites.

2.1.2.1. PLUVIOMETRES

2.1.2.1.1. PLUVIOMETRE STANDARD

Un pluviomtre est un appareil qui permet de mesurer la quantit de pluie tombe en un lieu dtermin,durant un certain intervalle de temps. Il est relev par un observateur, gnralement une fois par jour lorsqu'ils'agit d'un poste pluviomtrique, plusieurs fois en 24 heures dans certaines stations mtorologiques ouclimatologiques. Sur les BVRE, il n'est pas rare d'effectuer un relev aprs chaque averse.

Le modle qui a t le plus couramment utilis en Afrique francophone, durant de nombreuses annes, estle pluviomtre"Association", dfini au xrxme sicle par l'Association pour l'Avancement des Sciences. Il secompose d'un seau tronconique, de pente suffisante pour limiter les rejaillissements, avec une ouverture de400 cm2 matrialise par une bague arte tranchante. Sa capacit est gnralement de 7 litres (soit 175 mm deprcipitations), parfois de 11 litres (soit 275 mm de pluie) pour les pays tropicaux. Pos sur un piquet dpassantdu sol de 1,2 m, son aire de captation est place 1,5 m de hauteur (fig. 4). La lecture se fait l'aide d'uneprouvette en plastique moul (autrefois elle tait en verre), avec une prcision pouvant atteindre 0,05 mm.

Le pluviomtre seau mtallique a t progressivement remplac par un pluviomtre seau plastiquetransparent tropicalis, dont le fond conique gradu permet une lecture directe avec une approximation de0,25 mm, de 0 10 mm et de 0,5 mm, de 1 10 cm. Certains appareils sont quips d'une prouvette galementen plastique moul, place sous l'entonnoir de manire amliorer la prcision de la lecture (de l'ordre de0,05 mm) des faibles quantits de pluie. L'ouverture de ces appareils se situe un mtre au-dessus du sol(nouvelle nonne, photo 1), mais il est aussi possible de l'installer un 1,50 m pour respecter les normes locales(entre autres, les normes ASECNA). Nanmoins, si la mesure directe peut satisfaire les agronomes, il estrecommand aux hydrologues d'exploiter le seau plastique avec l'prouvette, de la mme manire que pour lepluviomtre"Association". Les deux appareils ont d'ailleurs la mme ouverture de bague.

- 30-

'f' Plvvm ~/r..

1/1/11',-0.1r


Trs simple au premier abord, la mesure de prcipitation est cependant sujette un certain nombred'erreurs dues l'inclinaison et la hauteur de la bague, au rejaillissement des gouttes, au mouillage des parois, l'vaporation et surtout l'environnement. L'effet du vent, principalement, peut tre trs important :l'acclration de l'coulement de l'air autour de l'obstacle que constitue le pluviomtre modifie la trajectoire desgouttes de pluie qui divergent en approchant de l'ouverture, de telle sorte que la quantit capte estsystmatiquement infrieure celle qui le serait par la mme surface place perpendiculairement la trajectoire(fig. 5). L'erreur crot avec le rapport de la vitesse du vent la vitesse de chute des gouttes de pluie. Comme lavitesse du vent crot avec la hauteur au-dessus du sol, on peut penser que plus l'ouverture de l'appareil est }X's dusol, meilleure sera la captation de la prcipitation (voir paragraphe 2.1.2.1.2., la description du pluviomtre ausol).

Le choix du site d'implantation d'un pluviomtre doit donc se faire partir de certains critres dont le butest de minimiser les effets perturbateurs :

emplacement bien dgag de tout obstacle trop lev: la distance minimale du pluviomtre aux objetsenvironnants ne doit pas tre infrieure quatre fois leur hauteur ;

sol plat: viter les zones pentues, particulirement si la pente a la mme direction que les ventsdominants ;

emplacement abrit de la pleine force du vent, sans que toutefois l'abri amne des perturbations plusimportantes que celles viter.

Pour Brown et Pech (1962), un pluviomtre bien abrit dans toutes les directions doit tre entourd'obstacles qui, vus de l'orifice, sous-tendent des angles de 20 30. Ces obstacles doivent tre suffisammentlarges pour minimiser les effets de turbulence.

De nombreuses formes d'cran ou de collerettes ont t imagines sans que les rsultats obtenus aient tvraiment concluants. L'effet d'abri, pour tre efficace, doit porter sur plusieurs centaines de m2, voire plusieurshectares, c'est pour cela qu'une clairire.en fort ou savaneconstilUe un site privilgi d'implantation. Dans leszones fortes dclivits, pour limiter un dficit systmatique de prcipitations, certains ontpropos d'utiliser despluviomtres dont l'orifice serait inclin paralllement la pente (stro-pluviomtres). Dans la..pratique, lesterrains accidents sont souvent soumis des effets locaux (turbulences) qui perturbent fortement les mesures etlimitent l'intrt de tels appareils. Il semble donc illusoire de vouloir mesurer les prcipitations suries crtes etles sommets.

L'installation de l'appareil doit tre faite avec soin. Il faut, except pour des tudes particulires, respecterles normes relatives l'aire et la hauteur au-dessus du sol de la surface de captation (bague de 400 cm2 situe 1,5 m de hauteur, en Afrique francophone - norme ASECNA).

L'appareil est plac sur un pied, de prfrence mla1lique, enfonc suffisamment dans le sol par battage ou l'aide d'une tarire. Un d en bton peut, si ncessaire, assurer une meilleure stabilit. Une planchette, unecollerette ou simplement des fers plats placs en croix permeuent de fIXer, l'aide de vis, le support mtalliquedu pluviomtre, gnralement constitu d'un trpied pour faciliter le rglage de l'horizontalit de l'ouverture(fig. 6). Il faut enfin vrifier, principalement s'il s'agit d'appareils usags ou ayant t transports dans desconditions difficiles, que la bague n'a pas t dforme, que l'tanchit du seau est parfaite et que les graduationsde l'prouvette sont adaptes au diamtre de la bague. On veillera ce que la capacit du seau soit sufflSante,compte tenu du rgime pluviomtrique.

Pour rpondre des problmatiques spcifiques, rencontres dans l'exploitation des appareils oul'utilisation des observations, des types spciaux de pluviomtres ont t proposs (pluviomtre au sol, parexemple).

2.1.2.1.2. PLUVIOMETRE AU SOL

Ce type d'appareil est indispensable lorsque la connaissance des quantits de pluie atteignant le sol estvraiment ncessaire : calculs de bilans hydriques et de coefficients de ruissellement prcis, applicationsagronomiques.

- 32-

RECEPTEUR

SUPPORT D'EPROUVETTE

.-------\ 3 EPROUVETTE

;t::::::;~~ SUPPORT EXTERIEUR

~i::$\11'b-I~----\.B D'EPROUVETTE

SCEAU EN PLASTIQUE

REGLETTE GRADUEE

5 TREPIED SUPPORT

6 PIED SUPPORT

~-------\9 BARRETTE D'ARRET

Fig-6- PLUVIOMETRE SPIEA MODIFIE METEOROLOGIE NATIONALE FRANCAISE

- 33 -

Guide des pratiques hydrologiques sur petits bassins Pratique des mesures: prcipitations

En Afrique francophone, est utilis un pluviomtre du type "Snowdon",lgrement modifi par l'Orstom(photo 2). Le seau est du type "Association", avec une ouverture de 400 cm2, install au centre d'une fosse carrede 165 cm de ct et de 40 50 cm de profondeur, de telle sorte que la bague soit exactement au niveau de lasurface du sol. Une grille anti-rebond, faite de lames mtalliques entrecroises (paisseur de tle infrieure 3 mm), encadre le seau en affleurant galement au niveau du sol. Le carroyage est fonn de 112 carrslmentaires de 15 cm de ct. La fosse est de prfrence btonne sur les cts pour viter les boulements, etson fond est garni de matriaux fIltrants (graviers) qui pennettent une vacuation rapide des eaux de pluie, voirede ruissellement (fig. 7).

De telles installations, relativement coteuses, ne peuvent tre envisages pour un rseau pluviomtriqued'une certaine importance. Dans de nombreuses applications, la connaissance des prcipitations tombant sur lesol n'est d'ailleurs pas indispensable. Les mesures effectues 1,5 m au-dessus du sol peuvent alors treconsidres comme un simple indice pluviomtrique. Les rsultats des modles pluie-dbit, par exemple, s'enmontrent peu ou pas altrs.

Une solution pratique consiste associer, en certains sites, un pluviomtre standard au pluviomtreenterr. P. Chevallier et I.M. Lapetite (305) ont pu ainsi montrer qu'il existait, en Afrique de l'Ouest, unerelation, fonction de la latitude, entre les observations faites l'aide de ces deux types d'appareils (fig. 8).

Si A et B sont les coefficients de la rgression tablie partir des pluies journalires :

Psol =A. Pstandard + B

et, si Pl est la hauteur de prcipitation journalire de priode de retour annuelle, on dfinit l'cart X par larelation:

etX =(A . Pl) + B / Pl

-6 4X =10,7.10 . LAT + 0,95

Un autre ajustement donne l'cart en fonction de Pl (fig. 9) :

pour Pl < 62 mmPl> 62 mm

X =-0,026 . Pl + 2,63X =-0,0007 . Pl + 1,08

Diffrentes mesures ralises en Cte d1voire, au Sngal ou au Burkina-Faso montrent qu'il faut nuancerces coefficients et que l'environnement immdiat de l'appareillage est probablement un facteur important. TI fautnoter que l'installation de tels dispositifs dans l'enceinte d'une station climatologique reprsente une garantie pourla qualit des observations, mais n'est pas le meilleur moyen d'extrapolation des rsultats l'ensemble d'unbassin. Les sites privilgis d'implantation des postes pluviomtriques doivent en effet tre abrits du vent, alorsque la station climatologique est de prfrence installe dans une rone bien dgage, bnficiant d'une expositionmaximale.

2.1.2.1.3. PLUVIOMETRE TOTALISATEUR

Les pluviomtres totalisateurs pennettent d'accumuler les prcipitations sur des priodes suprieures lajourne (semaine, mois, saison ou anne). Comme dj prcis, ils sont utiliss pour effectuer des observationsdans des zones d'accs difficile, ou comme instrument de contrle des pluviomtres journaliers (paragraphe2.1.1.).

Ils se composent d'un entonnoir, identique celui des pluviomtres "standards", plac sur un rcipientcollecteur de capacit suffisante (une estimation des volumes cumuls probables devra tre faite en fonction de lapriodicit des relevs et de la rone climatique). Ce rcipient, trs souvent de fonne tubulaire, peut tre mtallique(acier inoxydable ou zinc) ou en plastique.

- 34-

p

165cm 1-,~.~ . li

!!!

~-~-~--~.__L-. ~ __ '--

~.,.."., .....~l ais seur Iole < 3mml

Fig-7- PLUVIOMETRE AU SOL UTILISE PAR L'ORSTOM EN AFRIQUE DE L'OUEST

j

AZE;

/V

~OUASI

81NNOE. ~AMAOIOPOOOUM~OA~. KORHOGO

iO ORO 1 L8111ude Nord

2.0

x

'.2

' ..1.6

. 8

1.0

, 0 15 20

Fig-8- ECART EN FONCTION DE LA LATITUDE

x\-

'~"8

\6

f\OURSI4

BAiB.lNNOE2

\LOUOA KORHOGO

BO ROAOIOPOOOUIoAE

1 PJ (mm)

\.

2.

'.

'.

'.

1.0

20 40 60 00 100 120

Fig-9- ECART X EN FONCTION DE LA PLUIE JOURNALIERE DE FREQUENCE ANNUEllE

(O'APRES P.CHEVALIER et J.M.LAPETITE)

- 35-


Les critres d'installation sont les mmes que ceux dcrits pour les pluviomtres journaliers (paragraphe2.1.2.1.1.). Pour rduire les risques de pertes par vaporation, on versera une couche d'huile de moins de uncentimtre d'paisseur: les huiles de moteur faible viscosit, non dtergentes, sont recommandes. Cettesubstance devra tre renouvele priodiquement pour viter que se forme une mulsion sans effet surl'vaporation. Les mesures peuvent tre effectues, soit l'aide d'une jauge gradue absorbant peu l'eau et faibleeffet de capillarit lorsqu'il s'agit de volumes importants stocks dans un rcipient de section constante, soit l'aide d'une prouvette. Une prcision du demi millimtre de pluie est suffisante pour les relevs hebdomadaires.Pour les relevs mensuels et annuels, les rsultats seront arrondis au millimtre.

2.1.2.2. APPAREILS ENREGISTREURS

Les appareils enregistreurs prsentent les mmes caractristiques gnrales que les pluviomtres, et sontsoumis aux mmes normes d'installation. Un dispositif ralis grce diffrents mcanismes permet de suivre encontinu, pour le moins sur des intervalles de temps compatibles avec le pas de travail choisi, la chronologie desprcipitations. Parmi les nombreux systmes disponibles, deux sont les plus couramment utiliss : lesmcanismes flotteur et siphon et les mcanismes augets basculeurs.

2.1.2.2.1. MECANISME A FLOTTEUR ET SIPHON

L'eau recueillie dans l'entonnoir de ce type de pluviographe s'accumule dans un cylindre et entrane unflotteur qui porte un stylet inscripteur ; quand le cylindre, dont la capacit correspond une certaine hauteur depluie, est plein, le niveau d'eau atteint le col d'un siphon qui s'amorce et vide en quelques secondes l'eauaccumule, entranant flotteur et stylet; puis le cycle recommence (fig. 10).

Le fonctionnement alatoire du siphon fait que ce type d'appareil, qui prsente pourtant l'avantage defournir un enregistrement continu, est souvent, du moins en Afrique francophone, dlaiss. De plus, il se prtemal un enregistrement direct sur mmoire informatique.

2.1.2.2.2. MECANISME A AUGETS BASCULEURS OU BASCULANTS

La pluie collecte par l'entonnoir s'coule dans un systme compos de deux augets qui reposent,alternativement, sur des butes places de part et d'autre d'un axe de basculement Lorsque l'auget suprieur estplein, il bascule jusqu' sa bute en se vidant brusquement, l'autre auget commenant alors se remplir. Pourassurer l'enregistrement sur un diagramme, le mouvement de bascule est transmis par engrenage une came deprofIl spcial qui permet l'entranement d'un stylet (fig. Il). Ce systme se prte particulirement bien toutesformes d'automatisation (enregistrement sur mmoire ou tltransmission). li suffit d'adapter un contacteur mercure, ou un petit aimant agissant sur un interrupteur, pour crer chaque basculement une impulsiondirectement utilisable dans tout dispositif de comptage lectronique, sans qu'il soit ncessaire de passer parl'intermdiaire d'un codeur analogique numrique. L'enregistrement peut tre fait, durant un intervalle de tempsfixe ou variable, en totalisant le nombre de basculements, ou en associant la date (jour, heure, minute) chaquebasculement. La dernire de ces deux solutions permet une reconstitution prcise du pluviogramme, maisncessite des capacits de stockage sur site plus importantes. Toutefois, diffrents modes de compactage, sansdgradation de l'information, ont t dvelopps et sont actuellement oprationnels.

Le stockage sur mmoire vite le travail fastidieux du dpouillement des enregistrements sur diagrammes,ainsi que certaines limitations inhrentes ces systmes : fragilit du papier, rglage minutieux du systmeinscripteur, autonomie limite, ete.

L'auget le plus communment utilis en Afrique francophone a une capacit de 20 cm3 (soit 20 g d'eau)ce qui, pour un entonnoir de 4()() cm2, correspond 0,5 mm de pluie. La tendance actuelle est de rduire la tailledes augets pour augmenter la prcision de l'appareil, tout en conservant une mme surface de captation.L'utilisation de plus en plus frquente du plastique rend les mcanismes plus sensibles l'usure, et, cause deleur faible poids, aux basculements intempestifs (vent, petits mouvements accidentels).

- 36

EoJ wno'\lc:!;>

l(III 1 1 1 Il ~ ./

~\\\ \ \ \ \ \ \,...~

W F br-B- :- - - -

.IL - - -- - - -

~~- -

~-

-.....

I~

Fig-l0- PLUVIOGRAPHE A SIPHON

~Sod..

B Cy.nd ..... ~i.,.....,1"C Mkonismf' pluviomf.lriqu.. ci Qug..ts

B

B

~-.,'f ll

~TutHo d. N'mpliuog..

---2~

A

!1'OU9'" A W l"f'lT\plilol roug..' B ... vid..

Fig-l1- PLUVIOGRAPHE A AUGETS BASCULEURS (D'APRS G.REMENIERAS)

- 37-

PHOTO

Pluviomtre en plastique

Djiguinoum . (Sngal) -

PHOTO 2

Pluviomtre au sol type 'Snowdon" - Bidi - (Burkina-Faso)-

PHOTO 4

PHOTO 3

Pluviographe avec gurite - Djiguinoum (Sngal)

...........::>aID

Cl:....C>...,

Pluviomtre impulsions

Hapex (Niger)

PHOTO 48-

Centrale d'acquisition - Hapex . (Niger) -


La conception mme de l'appareillage entrane un certain nombre d'erreurs systmatiques. Ainsi, lebasculement, qui correspond une perte d'quilibre, ncessite un certain temps (quelques diximes de seconde)pendant lequel l'auget reoit un excdent d'eau perdu pour l'enregistrement Cette erreur, dite "de remplissage", estd'autant plus leve que l'intensit est forte. Par contre, un sous remplissage est souvent observ lors de faiblesintensits. L'appareillage ne donnerait donc l'intensit exacte qu'au voisinage d'une valeur dtermine (auxenvirons de 10 mmlh, pour une bague de 400 cm2).

Ces erreurs ne sont vraiment sensibles que pour des surfaces de captation de 2 000 cm2, couples desaugets de 20 cm3 de capacit: l'erreur par dfaut peut tre alors estime 12 % pour une intensit de 120 m/h.Avec une bague de 400 cm2, cette erreur est divise par cinq. Il ne semble donc pas ncessaire, dans cesconditions, d'envisager un tarage systmatique de chacun des appareils utiliss. Il n'empche qu'un certain nombrede prcautions doivent tre prises:

Bien que les appareils soient tars en usine, il sera bon de contrler, aprs vrification de leurhorizontalit, que le basculement se fait + ou - 3 % pour un volume d'eau de 20 cm3. La mthode laplus simple consiste utiliser une pipette de laboratoire.

L'ajutage de vidange de l'entonnoir doit tre suffisant pour viter une mise en charge de l'eau de pluie.Un trou de 2,5 mm de diamtre permet de mesurer une intensit maximale de 300 mm/h si l'aire decaptation est de 400 cm2 (on note l'insuffisance d'un tel ajutage pour une surface rceptrice de 2 000cm2). Une sage prcaution consistera ralser systmatiquement les ajutages l'aide d'une mche de5 mm. Ceci vite galement les obstructions frquentes dues des dpts de poussires, de terre, dedbris vgtaux ou autres dtritus.

Afin de contrler globalement le fonctionnement de l'appareil, l'eau de pluie s'vacuant des augetsdevra tre recueillie dans un rcipient La mesure sera effectue l'prouvette (adapte la surfaced'ouverture), aussi souvent que le pluviographe sera visit (changement de diagramme. contrle decassettes ou de mmoires statiques).

Dans le cas d'enregistrements sur diagrammes, la vitesse de droulement utilise devra tre adapte laprcision recherche dans la connaissance du facteur temps :

tambour journalier: vitesse de dfilement de 13 16 mm/heure, suivant le type d'appareil,

tambour hebdomadaire: vitesse de dfement voisine de 2,5 mm/heure,

table droulante hebdomadaire: vitesse de df1lement de 120 mm/heure,

table droulante bi-mensuelle: .. 25 60 mm/heure

table droulante mensuelle: 2,5 20 mm/heure,

table droulante trimestrielle: 5 10 mm/heure.

Dans les tudes du ruissellement sur petits bassins, il ne sera pas prudent de choisir une vitesse dedroulement infrieure 10 mm/heure. Les appareils quips d'horloge balancier et ressort devront trecontrls rgulirement. L'utilisation de plus en plus frquente d'horloges quartz reprsente un progrsimportant.

2.1.2.2.3. PLUVIOGRAPHE A PESEE

Dans les pluviographes pese, l'eau de pluie s'accumule. la sortie de l'entonnoir. dans une cuve posesur une balance ressort qui entrane le stylet d'enregistrement

2.1.2.2.4. PLUVIOGRAPHE A SIPHON BASCULE

Dans ce type de pluviographe, trs utilis par le Bureau Mtorologique Britannique, la pluie qui tombedans l'entonnoir est dirige dans une chambre contenant un flotteur auquel est fixe une tige qui actionne uneplume. Lorsque le flotteur atteint la partie suprieure de la chambre. il dclenche un crochet de retenue et le poids

- 39-

Guide des pratiques hydrologiques sur petilS bassins Pratique des mesures : prcipitations

de l'eau fait basculer toute la chambre autour d'un support en arte de couteau. Ce mouvement envoiebrusquement l'eau dans un siphon mont au fond de la chambre. A la fin du siphonnage, un contrepoids remetcette dernire en position prte tre remplie de nouveau.

2.1.2.2.5. PLUVIOMETRE D'INTENSITE

L'eau reue dans le pluviomtre se dverse dans un tube reli un capteur de hauteur d'eau ultrasons quiutilise le principe du temps de propagation des ondes ultrasoniques dans l'eau. La vidange se fait par siphonnage,amorc par l'enfoncement brusque d'un flotteur au moment o le niveau maximum est atteint. Les mesurespeuvent tre mmorises sur un systme d'acquisition, avec un pas de temps de une seconde. Ce dispositif estpropos en remplacement du systme utilisant un capteur de pression dont les rsultats se sont avrs assezdcevants, mais qui reste tout de mme une voie de recherche.

2.1.2.2.6. SPECTROPLUVIOMETRES OPTIQUES ET DISTROMETRES

Ces appareils, qui permettent une acquisition d'infonnation au niveau de la goutte de pluie, sont cits pourmmoire, car coteux et encore du domaine de la recherche.

Remarques :

Les pluviographes les plus utiliss en Mrique francophone sont des appareils augets basculeurs inslallsdans une gurite, avec une aire de captation de 400 cm2, cale un mtre au-dessus du sol. On rencontre parfoisdes bagues places l,50 m, en accord avec les pluviomtres dont il a t fait mention prcdemment(paragraphe 2.1.2.1.1.). Les gurites les plus anciennes, de fonne cylindrique, ont souvent un emplacementrserv au seau de contrle (photo 3). Plus rcemment, sont apparues des gurites troncs-coniques qui n'offrentplus cette facilit (photos 4 et 4a). Il est alors indispensable d'adjoindre l'appareil un rcipient collecteurconnect, par un tuyau souple (caoutchouc ou plastique), au systme d'vacuation.

La fixation au sol se fait l'aide de pattes pour les gurites cylindriques, ou d'un pied-support avecflasques pour les gurites troncs-coniques. Un socle en bton assure une meilleure stabilit au dispositif qui doitpouvoir rsister aux vents violents des "tornades". Dans certains cas, un systme de haubanage pourra trencessaire.

Le grand nombre d'appareils enregistreurs utiliss dans les tudes de BVRE, ainsi que la dure parfois trscourte des vnements pluviomtriques observs, plaident pour une large utilisation de technologies modernesprouves : horloges de prcision quartz (dont la drive est souvent infrieure une minute par mois),dispositifs de comptage lectroniques avec archivage sur mmoire statique. La consommation en nergie tanttrs faible, le fonctionnement peut tre assur par un panneau solaire photovoltaque de faible puissance (nergiemaximum de 8 Wh).

2.1.3. MESURE DE L'INTERCEPTION DES PRECIPITATIONS

2.1.3.1. PHENOMENE D'INTERCEPTION

La pluie qui tombe sur la vgtation, et plus particulirement sur une fort, n'arrive pas au sol en totalit.Une fraction est intercepte, puis directement vapore. Une autre partie passe travers le couvert vgtal en letouchant ou non. Une troisime fraction, enfin, atteint galement le sol par coulement le long du tronc desarbres : soit que les gouttes de pluie le frappent directement, soit que l'eau intercepte par les feuilles chemine lelong des rameaux, puis des branches, avant de l'atteindre.

Les quantits mesures peuvent varier sensiblement suivant le type et la dure des prcipitations ainsi quela nature des peuplements vgtaux. Cependant, la plupart des tudes montrent que l'coulement le long destroncs dpasse rarement quelques pour-cent. Quant l'interception, elle reprsente frquemment entre 15 et 30%du total des prcipitations (309).

- 40-


2.1.3.2. DISPOSITIF DE MESURE

Pratique des mesures: prcipitations

Les prcipitations incidentes sont, dans de nombreux cas, mesures l'aide de pluviomtres oupluviographes installs dans des clairires proximit de la zone d'tude. L'installation d'appareils sur la cime desarbres ou arbustes, outre les difficults qu'elle peut reprsenter, s'est avre inutile.

La station d'interception se compose, suivant l'objectif des tudes, soit de pluviomtres placs la hauteurstandard, soit de pluviomtres poss mme le sol, soit de pluviomtres installs dans une fosse quipe, ounon, d'un systme anti-rebonds. L'environnement local assurant une bonne protection contre le vent. la hauteurd'implantation des appareils ne devrait pas influencer sensiblement les rsultats.

Les pluviomtres pourront tre placs aux noeuds d'un quadrillage dont chaque carr unitaire aura quelquesmtres de ct (de 2 10 mtres suivant l'aire d'tude). Une autre mthode plus conomique consiste diviserl'ensemble des appareils en deux lo

guide des pratiques hydrologiques sur les petits bassins versants

Documents