Estimation du transport solide dans le bassin-versant de l’oued Haddad (Nord-Ouest algérien) Auteur(s) : Mohamed Achite, Mohamed Meddi2004

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Science et changements planétaires / Sécheresse. Volume 15, Numéro 4, 367-73, OCTOBRE-NOVEMBRE-DÉCEMBRE 2004, Note méthodologique

Résumé   Summary  

Auteur(s) : Mohamed Achite, Mohamed Meddi , Université des sciences et de la technologie d’Oran, Faculté de génie civil et d’architecture, Département d’hydraulique, Laboratoire Eau – Environnement. El M’naouar, BP 1505, Oran 31000, Algérie, Laboratoire Eau, roche et plante, Centre universitaire de Khemis Miliana, 44225 Khemis Miliana, Algérie.

Résumé : L’envasement et le transport solide constituent, par leur importance, un problème majeur en Algérie (dégradation des sols agricoles, alluvionnement des retenues). Les études d’aménagement hydrotechnique butent très souvent sur le problème du manque ou du nombre réduit de données relatives au transport solide. De nombreux chercheurs ont travaillé pour palier ce problème en utilisant deux approches différentes. Dans la première, des modèles généraux (nombreux bassins-versants) ont été développés pour estimer le transport solide au niveau d’un site dépourvu de station de mesure. Pour la seconde, des modèles spécifiques aux bassins étudiés ont été mis au point. Ces derniers servent à combler les lacunes des mesures et à étendre la série existante en fonction du débit liquide souvent mesuré. Le travail présenté s’inscrit dans la seconde catégorie de modèles. Le bassin-versant de l’oued Haddad, l’un des affluents de l’oued Mina, contribue à l’envasement du barrage d’Es - Saâda sur l’oued Mina [1]. La compréhension du phénomène du transport solide aidera les gestionnaires de barrages à minimiser le problème de l’alluvionnement. L’approche méthodologique adoptée consiste à rechercher un modèle régressif pouvant expliquer le débit solide par le débit liquide mesuré au niveau de la station de Sidi Abdelakader El Djillali, en étudiant cette relation à différentes échelles : annuelles, saisonnières, mensuelles et journalières pour trouver la meilleure relation représentative du phénomène. L’ensemble des données disponibles couvre les années 1973/1974 à 1994/1995, soit 22 années. Les résultats montrent que le modèle puissance explique la plus grande partie de la variance (plus de 70 % de la variance). Les modèles obtenus à l’échelle journalière et instantanée (regroupés par mois) ont donné le meilleur coefficient de corrélation. Le débit liquide explique, à ces échelles, la variation du débit solide dans le temps. Aussi, compte tenu de la disponibilité des données à l’échelle journalière, le transport solide a été évalué en utilisant le modèle ainsi obtenu à cette échelle. Ce résultat confirme ceux trouvés par différents chercheurs en Algérie et au Maroc.

Mots-clés : Envasement, Hydrologie, Érosion, Écoulement, Modélisation, Algérie

Illustrations

ARTICLE

Auteur(s) :, Mohamed Achite¹, Mohamed Meddi²

¹Université des sciences et de la technologie d’Oran, Faculté de génie civil et d’architecture, Département d’hydraulique, Laboratoire Eau – Environnement. El M’naouar, BP 1505, Oran 31000, Algérie
²Laboratoire Eau, roche et plante, Centre universitaire de Khemis Miliana, 44225 Khemis Miliana, Algérie
L’alluvionnement des retenues de barrages est un phénomène préoccupant en Algérie, à l’instar des pays du Maghreb. Ce phénomène est dû principalement à une érosion très active dans les bassins-versants algériens [1-3] et maghrébins [4, 5]. L’estimation du taux de sédimentation des barrages et de leur durée de vie nécessite une bonne connaissance des apports solides. Ces derniers dépendent aussi bien des contraintes topographiques et granulométriques imposées au fond des vallées que de la nature et du volume des apports liquides et solides fournis au réseau d’écoulement. En plus de cette complexité, le manque de données constitue un handicap majeur dans l’évaluation et la prévision de l’envasement des barrages. Cet état de fait a conduit de nombreux chercheurs à proposer des modèles de prévision générale (pour un ensemble de bassins) et des modèles particuliers (propres à un bassin donné). Notre travail s’intègre dans la deuxième catégorie de modèles. Ces derniers ont été largement utilisés en Algérie pour développer des modèles propres aux bassins étudiés afin d’évaluer le transport solide à leur exutoire [6-11].Le bassin-versant de l’oued Hadad, sous-bassin de l’oued Mina, est confronté à un grave problème de dégradation du sol, comme pratiquement toute la région du Tell occidental algérien. Ce problème provoque l’envasement du barrage d’Es – Saâda sur l’oued Mina (bassin d’Echellif) et affecte négativement l’agriculture locale en entraînant des pertes énormes en terres arables, ce qui conduit à l’exode rural [1, 12].Afin de mieux appréhender ce phénomène et de proposer des modèles liant le débit solide au débit liquide à différentes échelles temporelles, une banque de données de 22 années (1973/1974-1994/1998) a été utilisée. Le travail consiste dans un premier temps à développer la meilleure relation explicative du débit solide au niveau du bassin et, dans un second temps, à quantifier le transport solide à l’exutoire du bassin.

Matériel et méthode

Région d’étude

Appartenant au bassin-versant de l’oued Mina, le sous-bassin-versant de l’oued Haddad draine une superficie de 470 km² à l’extrême sud de Relizane (nord-ouest algérien). Il est situé entre 0° 35’ 28’’ de longitude Est et entre 35° 33’ 52’’ de latitude Nord. L’oued Haddad suit une direction SW-NE. Il prend sa source dans le djebel Bazita (côte 1 000-1 100 m) et collecte les eaux des oueds Baloul, Rekada et Medjaref (( figure 1 )). L’oued Haddad a une pente moyenne de 8,91 m/km sur une longueur de 40,8 km jusqu’à la station de Sidi Abdelkade el Djilali. Son relief est très accidenté et est qualifié d’« assez fort » selon la classification Orstom [13], les altitudes maximales et minimales étant respectivement de l’ordre de 1 160 m et de 225 m avec une dénivelée spécifique [13] de 360 m (tableau 1( Tableau 1 )).

Le climat est de type méditerranéen, caractérisé par une saison humide et une saison sèche. La pluviométrie annuelle est très irrégulière (elle varie de 200 mm/an à 379 mm/an). La pluie moyenne interannuelle est de 245 mm, avec un coefficient de variation de 45 % (1973/1974 à 1994/1995). Le régime hydrologique des cours d’eau dépend essentiellement du régime pluviométrique [14, 15]. Il se caractérise par une grande variabilité spatio-temporelle, avec une succession de périodes de hautes et de basses eaux. Le débit moyen interannuel enregistré sur la période d’observation (1973/1974 à 1994/1995) est de 0,18 m³/s soit un apport moyen interannuel de 5,42 millions de m³.

La lithologie du bassin est constituée par le Quaternaire continental (cette formation est représentée par des alluvions, regs et terrasses), le Pliocène continental (représenté par des calcaires lacustres) et le Miocène inférieur marin (représenté par une formation marneuse). La végétation du bassin est constituée essentiellement de maquis représentant environ 30 % de l’ensemble du bassin (forêt dégradée). Elle est soumise à un surpâturage et est discontinue dans l’espace [1].

Cette présentation des différents facteurs physico-géographiques permet d’émettre les conclusions suivantes [1] :

• – les facteurs morphométriques sont très favorables à l’écoulement superficiel ;
• – les facteurs lithologiques sont favorables à l’infiltration des eaux ;
• – la végétation est favorable au ruissellement et par conséquent à l’érosion et au transport solide.

Tableau 1 Caractéristiques hydromorphométriques du bassin-versant de l’oued Haddad.

Caractéristiques	Paramètres	Unité	Symbole	Valeurs
Morphologie du bassin-versant	Superficie du bassin-versant	Km2	A	470
	Périmètre du bassin-versant	Km	P	91
	Indice de compacité	–	Kc	1,23
	Longueur du rectangle équivalent	Km	L	37,36
	Largeur du rectangle équivalent	Km	l	12,58
Relief	Altitude maximale	m	Hmax	1 160
	Altitude minimale	m	Hmin	225
	Altitude moyenne	m	Hmoy	588
	Indice de pente de roche	%	Ip	2,5
	Indice de pente globale	%	Ig	42
	Pente moyenne	%	Im	46
Réseau hydrographique	Longueur du thalweg principal	Km	Lp	47
	Densité de drainage	Km/Km2	Dd	2,44
	Coefficient de torrentialité	–	Ct	5,40
	Temps de concentration	Heures	Tc	10,30
	Rapport de confluence	–	Rc	0,71
	Rapport de longueur	–	Rl	0,81

Collecte et mise en forme des données

Les données de base disponibles sont constituées par les débits liquides instantanés, les débits liquides moyens journaliers (m3/s) et les concentrations en sédiments instantanées en (g/L). Cette banque de données couvre la période allant de 1973/1974 à 1994/1995, soit 22 années.

Pour l’établissement des modèles, trois cas de regroupements ont été envisagés afin de déceler la meilleure relation possible.

Débits liquides instantanés - débits solides instantanés : ensemble des données mesurées au niveau de la station de Sidi Abdelkader El Djillali par les services de l’Agence nationale d’hydraulique

Ce premier cas est composé de cinq groupes différenciés par l’échelle considérée :

• – dans leur totalité (un seul groupe), (( figure 2 )) ;
• – annuellement (un groupe par année hydrologique) ;
• – mensuellement (un groupe par mois sur les 22 années d’observations) ;
• – saisonnièrement (un groupe par saison, automne, hiver, printemps et été, sur les 22 années d’observations) ;
• – par saison humide et saison sèche (sur les 22 années d’observations).

Débits liquides moyens journaliers - Débits solides moyens journaliers observés

Les valeurs des débits liquides et solides moyens journaliers observés ont servi à développer un modèle liant les deux paramètres. Ce dernier a été utilisé pour calculer les valeurs des débits solides correspondant aux valeurs liquides observées (pour lesquelles il n’y a pas eu d’observation des débits solides). De cette manière, un nouvel échantillon a été constitué. Un nouveau modèle a été développé sur la base des nouvelles séries des débits liquides et solides (( figure 3 )).

Pour pouvoir développer des modèles de débits solides, il existe deux approches distinctes selon les besoins. Une approche spatiale (prise en compte de nombreux bassins-versants disposant de mesures) et une approche ponctuelle (prise en compte des données existantes pour un bassin-versant).

La première est généralement utilisée pour estimer le transport solide au niveau des sites non équipé en moyens de mesure. De nombreux chercheurs (Meddi en Algérie [16], Lahlou au Maroc [4], Steegen et al. en Belgique [17], Henry et al. en Zambie [18], Kassoul et al. en Algérie [19]) ont mis au point des modèles de prévision du transport solide. Ces modèles sont utilisés pour palier le manque de données au niveau d’un site destiné à un aménagement.

La seconde est établie pour prévoir le débit solide pour un bassin-versant donné, par exemple pour étendre la série de mesures dans les cas où les paramètres explicatifs existent pour une période plus longue. Cette technique a été largement utilisée en Algérie [1, 7, 9-11].

La relation retenue entre les débit solide et liquide depuis les travaux de Remy-Berzencouitch [20] et des chercheurs américains, est de type :

Où :

a et n sont des paramètres du bassin-versant considéré.

Cette expression fournit une première approximation de la variation dans le temps du débit solide des cours d’eau.

Heusch [21], a remarqué que cette relation n’est pas stable au cours de l’année hydrologique et que ces paramètres sont influencés par les changements saisonniers.

Fournier et Henin [22], en portant en abscisse les débits liquides mensuels de l’année moyenne et en ordonnée les débits solides correspondants, ont trouvé de véritables boucles d’hystérésis représentatives du phénomène. Donc, on ne peut calculer les débits solides à partir d’une courbe de tarage [23].

Nous allons essayer d’éclairer le phénomène de variation temporelle du transport solide au niveau du bassin (à la station hydrométrique). Pour cela, nous allons étudier les relations et l’influence du débit liquide sur la variation du débit solide à l’échelle annuelle, mensuelle et saisonnière.

Cinq modèles régressifs sont utilisés : linéaire, logarithmique, parabolique, puissance et exponentiel. Le coefficient de détermination calculée pour une erreur de 1^ère espèce (α = 5 %) oriente le choix du modèle [24-26]. De tous les modèles considérés le modèle puissance offre les meilleurs ajustements (tableaux 2–7( Tableau 2 )( Tableau 3 )( Tableau 4 )( Tableau 5 )( Tableau 6 )( Tableau 7 )).
Tableau 2 Modèles obtenus à l’échelle interannuelle.

Échelle temporelle	Nombre d’observations	R2	Modèles retenus
Totalité des données	1 878	0,70	Qs = 14,423Ql1,4519

Tableau 3 Modèles obtenus à l’échelle annuelle.

Échelle temporelle	Nombre d’observations	R2	Modèles retenus
1973/1974	55	0,91	Qs = 2,044Ql1,7604
1974/1975	30	0,83	Qs = 7,495 Ql1,7748
1975/1976	83	0,67	Qs = 12.697Ql1,433
1976/1977	49	0,86	Qs = 10,201Ql1,4748
1977/1978	64	0,90	Qs = 20,819 Ql1,6766
1978/1979	110	0,81	Qs = 8,678 Ql1,7246
1979/1980	102	0,72	Qs = 6,275 Ql1,6209
1980/1981	85	0,84	Qs = 7,435 Ql1,298
1981/1982	61	0,85	Qs = 10,316 Ql2,057
1982/1983	94	0,80	Qs = 9,318 Ql1,5091
1983/1984	76	0,91	Qs = 20,046Ql1,6755
1984/1985	70	0,73	Qs = 24,347 Ql1,4929
1985/1986	166	0,84	Qs = 12,204 Ql1,4147
1986/1987	170	0,87	Qs = 12.854 Ql1,5255
1987/1988	130	0,82	Qs = 18,449 Ql1,503
1988/1989	84	0,90	Qs = 25,796 Ql1,4819
1989/1990	114	0,88	Qs = 30,216 Ql1,4231
1990/1991	108	0,64	Qs = 18,437 Ql1,3132
1991/1992	38	0,88	Qs = 23,787 Ql2,1755
1992/1993	48	0,89	Qs = 58,625 Ql1,235
1993/1994	65	0,91	Qs = 25,253 Ql 1,4548
1994/1995	76	0,91	Qs = 22,529 Ql 1,2633

Tableau 4 Modèles obtenus à l’échelle mensuelle.

Échelle temporelle	Nombre d’observations	R2	Modèles retenus
Septembre	109	0,94	Qs = 22,626 Ql 1,5444
Octobre	218	0,86	Qs = 14,526 Ql 1,4696
Novembre	213	0,83	Qs = 16,906 Ql 1,4262
Décembre	184	0,76	Qs = 16,074 Ql 1,584
Janvier	239	0,90	Qs = 15,811 Ql 1,5758
Février	279	0,76	Qs = 10,390 Ql 1,3883
Mars	292	0,82	Qs = 11,890 Ql 1,6323
Avril	101	0,74	Qs = 14,024 Ql 1,5767
Mai	127	0,88	Qs = 21,958 Ql 1,4429
Juin	45	0,95	Qs = 16,599 Ql 1,4326
Juillet	48	0,87	Qs = 5,790 Ql 1,740
Août	23	0,96	Qs = 35,472 Ql 1,3570

Tableau 5 Modèles obtenus à l’échelle saisonnière.

Échelle temporelle	Nombre d’observations	R2	Modèles retenus
Automne	540	0,85	Qs = 16,898 Ql 1.4521
Hiver	702	0,77	Qs = 13,412 Ql 1,4463
Printemps	520	0,79	Qs = 14,049 Ql 1,4009
Été	116	0,86	Qs = 10,641 Ql 1,.5915

Tableau 6 Modèles obtenus pour la saison humide et sèche.

Échelle temporelle	Nombre d’observations	R2	Modèles retenus
Saison humide	1 242	0,83	Qs = 14,202.Ql 1,4333
Saison sèche	623	0,81	Qs = 13,542.Ql 1,4439

Tableau 7 Modèles retenus pour le deuxième cas de groupement de données.

Cas	R2	Modèles retenus
2e cas	0,78	Qs = 9,734 Ql1,7141

Interprétation des résultats

Du fait de la complexité du phénomène du transport solide et, malgré l’existence de nombreux modèles de par le monde en général et en Algérie en particulier, il n’existe aucun modèle théorique ou procédure de calcul standard. Les modèles, dans leur majorité, expliquent plus de 70 % de la variance. Les résultats trouvés confirment la nature du modèle développé par rapport à ceux obtenus en Algérie [6] et au Maroc [4]. Les relations, à l’échelle mensuelle, donnent les meilleurs coefficients de détermination. Le taux de la variance expliqué est plus élevé en saison chaude qu’en saison froide. Après une longue saison sèche caractérisée par de fortes températures (été), les pluies provoquent la destruction des agrégats du sol. Le ruissellement déclenché par ces pluies assure le transport des particules détachées. En plus, en saison chaude, les sols sont très souvent nus ou mal protégés. Cette situation accentue le phénomène érosif du sol en raison des fortes énergies produites par les pluies orageuses et brèves (pluies de fortes intensités), ce qui explique les bonnes relations trouvées pour cette saison. En hiver, où l’évapotranspiration est faible, l’eau interceptée par la végétation est en grande partie restituée au sol par égouttage. Cette partie des précipitations peut donc atteindre le sol après un certain temps, et la quantité d’eau perdue est négligeable [27]. Dans ce cas, le ruissellement est retardé et atténué, ce qui donne un pouvoir érosif (des pluies et du ruissellement) limité.

Les modèles retenus pour différents cas de regroupement de données ont permis de quantifier l’érosion spécifique (tableau 8( Tableau 8 )).

La disponibilité des données à l’échelle journalière (débits liquides mesurés au niveau du bassin) nous a amené à utiliser le modèle développé à cette échelle (second cas) pour quantifier le transport solide (tableau 9( Tableau 9 )).

En Algérie, seul le transport solide en suspension est mesuré et le transport solide charrié est pris égal à 30 % du transport solide en suspension [12].

Les résultats obtenus sur les 22 années d’observation montrent qu’il existe une variation importante de l’érosion spécifique aux échelles intra-annuelles (coefficient de variation égal à 0,76) et interannuelles (coefficient de variation égal à 0,88) (figures 4 et 5).

L’analyse des valeurs intra-annuelles montre que la quantité de sédiments transportés au cours de l’année varie d’un mois à un autre. Le transport solide d’automne reste le plus élevé, dépassant significativement les autres saisons (33 %). Cette variabilité s’explique par la variation du couvert végétal durant l’année et par la nature des pluies d’automne (agressivité des pluies). Ces deux facteurs préparent les agrégats du sol à la destruction, favorisée par le faible taux du couvert végétal, par les premières pluies. Également le faible taux de couverture végétal en cette saison. Le faible taux d’érosion d’hiver s’explique par le fait que la plus grande partie des particules solides ont été transportées par les premières crues d’automne.

L’érosion spécifique moyenne interannuelle du bassin-versant de l’oued Haddad à la station de Sidi A.E.K Djillali est de 2,87 t/ha/an, avec une variation allant de 0,14 tonnes en 1991/1992 à 10,72 t en 1990/1991 avec un coefficient de variation égal à 0,88.
Tableau 8 Apport solide (As) et érosion spécifique (Es) selon différents cas

		Bassin-versant de l’oued Haddad
		As (t/an)	Es (t/ha/an)
1er cas (totalité des observations instantanées)	Échelle interannuelle	123 353	2,62
	Échelle mensuelle	120 189	2,56
2e cas	Échelle journalière	103 791	2,20

Tableau 9 Transport solide en suspension, transport solide total et érosion spécifique dans le bassin-versant de l’oued Haddad à Sidi A.E.K. Djillali.

Transport solide en suspension (t)	Transport solide total (t)	Érosion spécifique (t/ha/an)
103 791	134 928	2,87

Conclusion

Le problème de disponibilité des données relatives au transport solide se pose avec acuité en Algérie. Par ce travail, dans un premier temps, des modèles explicatifs de la variation du débit solide par le débit liquide ont été développés pour différents cas de regroupements de données (interannuelles, annuelles, mensuelles et saisonnières). Les modèles obtenus aux échelles mensuelle et journalière ont donné les meilleurs coefficients de corrélations. Le débit liquide, à l’échelle mensuelle, explique plus de 74 % de la variance du débit solide. Le pourcentage expliqué varie de 74 % en avril à 96 % au mois d’août. Le débit liquide, à l’échelle journalière, explique plus de 78 % de la variance du débit solide. La disponibilité des données du débit liquide à l’échelle journalière nous a conduit à utiliser, pour quantifier le transport solide dans le bassin-versant de l’oued Haddad, le modèle développé à cette échelle. La dégradation spécifique au niveau de ce bassin est de 2,87 t/ha/an).

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