Impact of soil surface crusting on the hydrological functioning of a sahelian hillslope (Niger). On-site experiments and modelling.
Influence de l'encroûtement superficiel du sol sur le fonctionnement hydrologique d'un versant sahélien (Niger). Expérimentations in-situ et modélisation
Résumé
The aim of this study is to characterise the hydrologic behaviour of a sahelian catena in western Niger. From previous studies, it is acknowledged that soil surface characteristics (crust type. micro-relief, vegetation density), referred to as sail surface features, play a determinant role in infiltration and runoff processes. We intend here to quantify the horizontal redistribution of water on the catena (that is the partition infiltration-runoff and subsequent surface transfer), as affected by the spatial distribution of soil surface features. Experimental data from runoff plots (100 m²), representative of one type of soil surface feature, show that infiltration is low on areas with permanent crusting (plateau bare soil, fallow) ; runoff is estimated respectively to 50 and 25 % of the annual rainfall. On cultivated areas, crusts destruction by the weeding operations and subsequent restoration induce a high temporal variability of infiltration. and runoff is estimated to less than 12 % of the rainfall depth . On the catena, infiltration is limited to the first meters of the soil , except in the areas fed with high quantities of water (plateau vegetation, flood spreading zone, gully) where the infiltration depth is higher than 2 to 3 times the rainfall depth . There is no water storage in the soil from one season to the next, and only the zones of water accumulation are likely to feed deep drainage towards the aquifer. In order to strengthen the experimental results and to establish a seasonal water balance on the catena, the physically based, distributed, SWATCH hydrologic model was modified to allow the simulation of infiltration in a two- layer soil system (crust-subsoil). The model is first calibrated at the plot scale, assumed to be representative of the hillslope processes. The model parameters defined on each plot (i.e. for each sail surface feature) are then affected to zones of homogeneous surface feature defined on the catchments from a surface feature map. After calibration of the channel transfer parameters, this simplified representation of the watersheds lead to a satisfactory simulation of observed discharges. The deep infiltration depth computed by the model over the wider catchment (0,9 square km) at the end of the rainy season represents 12 percent of the rainfall depth. But, as a part of this water amount (not quantified) is evaporated in dry season, the fraction of water draining towards the aquifer is probably low. It is concluded that the contribution of this type of catena to annual groundwater recharge is low regarding that provided by the pools, studied elsewhere.
Cette étude a pour objectif la caractérisation du fonctionnement hydrologique d'une toposéquence sahélienne de l'ouest Nigérien. Des études antérieures menées en zone sahélienne ont montré que les caractéristiques de la surface du sol (type de croûte, microrelief, densité de végétation), réunies dans la notion d'état de surface. sont déterminantes dans les mécanismes de l'infiltration et du ruissellement dans cette région. On cherche à quantifier les mécanismes de redistribution horizontale de l'eau de pluie (partition infiltration/ruissellement et transfert de l'eau en surface) à l'échelle de la toposéquence, sous l'influence de la répartition spatiale des états de surface. Les données expérimentales issues de parcelles de ruissellement (100 m²), représentatives d'un type d'état de surface, montrent que l'infiltration est faible sur les zones à encroûtement permanent (sol nu de plateau, jachère) ; le ruissellement y représente 50 et 25 %, respectivement, de la pluie annuelle. Sur les surfaces cultivées, la destruction des croûtes par le sarclage et leur reconstitution ultérieure induisent une forte variabilité temporelle de l'infiltration, et le ruissellement est estimé à moins de 12 % de la pluie. A l'échelle de la toposéquence, on montre que l'infiltration est limitée aux premiers mètres du sol, excepté dans les zones d'accumulation d'eau (végétation de plateau, zone d'épandage des crues, ravine) dans lesquelles la lame infiltrée peut dépasser 2 à 3 fois la pluie annuelle. Le stockage d'eau dans le sol est nul d'une saison à l'autre sur l'ensemble des sites étudiés et seules les zones d'accumulation d'eau sont susceptibles d'alimenter le drainage profond en direction de l'aquifère. Pour compléter les résultats expérimentaux et quantifier les transferts d'eau en saison des pluies à l'échelle de la toposéquence, le modèle hydrologique SWATCH (distribué, à bases physiques) a été modifié pour simuler l'infiltration par une approche bi-couche des transferts (croûte/sol sous-jacent). Le modèle est tout d'abord calé à l'échelle de la parcelle, supposée représentative des processus de versants. Les paramètres du modèle définis sur les parcelles (i.e. pour chaque état de surface) sont ensuite affectés aux unités à état de surface homogène définies sur les bassins par cartographie. Cette représentation simplifiée du milieu permet une reconstitution satisfaisante des crues observées à l'exutoire des bassins après calage des paramètres du transfert en chenal. La lame infiltrée en profondeur sous le plus grand des bassins (0,9 km²) en fin de saison des pluies est évaluée par modélisation à 12 % de la pluie, mais une partie de cette eau, non quantifiée, s'évapore en saison sèche et l'on estime que la fraction qui draine vers l'aquifère est faible. La contribution de ce type de toposéquence à la recharge annuelle de la nappe semble donc marginale par rapport à celle des mares, étudiée par ailleurs.