The water cycle in Sahelian Africa : Multidisciplinary approach and contribution of spatial and terrestrial gravimetry
Étude du cycle de l'eau en Afrique sahélienne : Approche multidisciplinaire et apport de la gravimétrie terrestre et spatiale
Résumé
Towards climate variability and human activities, recent advances in water resources observation, quantification and prediction have led to a growing interest in the geophysical community. Geodetic techniques allow measuring the shape and the gravity field of the Earth. These measurements are sensitive to the water mass distribution at the Earth's surface over a wide range of time and space scales. Such techniques may thus provide valuable information about continental water storage changes. In the framework of the AMMA (African Monsoon Multidisciplinary Analysis) and GHYRAF (Gravity and Hydrology in Africa) projects, a bunch of actions have been set up in gravimetry, geodesy, geophysics and hydrology on a pilot site located in south-west Niger, at 70 km of the city of Niamey. The seasonal water cycle, in link with the West African monsoon, is studied at local scale by in situ measurements and at continental scale by satellite data. The observed gravity signal is analysed to retrieve local hydrogeological parameters, such as the drainage porosity. The uncertainties due to the presence of water in the first meters of soil are evaluated with in situ measurements. Porosity values estimated by gravimetry are compared to values of the aquifer water content derived from magnetic resonance soundings. The good agreement between these two independent geophysical methods, displaying different sensitivity as well as spatial and temporal resolutions, shows their potential to constrain local hydrogeological parameters. The spatial heterogeneity of the water storage is investigated at the small catchment scale (~ 2.5 km2) by an intensive microgravity field campaign. Dynamic variations of the gravity are measured with small to medium amplitudes (≤ 220 nm s-2) and carefully analysed to evaluate the intraseasonal variability of the water storage. The heterogeneity of the water storage in the vadose zone appears as the main reason for the spatial variability of the gravimetric signal at local scale (<1 km).
Au regard de la variabilité climatique et des activités humaines, un intérêt croissant a été porté au cours des dernières décennies à l'observation des ressources en eau, leur évolution et leur quantification. Les méthodes géodésiques examinent la forme de la Terre et son champ de gravité. Elles sont sensibles à la redistribution des masses d'eau à la surface terrestre, à des échelles spatiales variant de la parcelle au continent et s'avèrent de ce fait être des outils de choix pour suivre la variabilité des ressources en eau. Dans le cadre des projets AMMA (Analyse Multidisciplinaire de la Mousson Africaine) et GHYRAF (Gravité et Hydrologie en Afrique), une série d'actions en gravimétrie, géodésie, géophysique, et hydrologie a été orchestrée sur un site pilote situé au sud-ouest du Niger, à 70 km de sa capitale Niamey. L'influence de la mousson ouest africaine sur le champ de pesanteur est étudiée à l'échelle locale par des mesures in - situ et, à l'échelle continentale, par des mesures satellitaires. Le signal gravimétrique observé est interprété en terme de variabilité hydrologique, afin d'accéder aux paramètres hydrogéologiques locaux comme la porosité de drainage de l'aquifère. Les incertitudes liées à la présence d'eau dans les premiers mètres de sol sont évaluées à l'aide de mesures d'humidité in-situ. Les valeurs de porosité estimées par gravimétrie sont comparées aux valeurs estimées par résonance magnétique protonique, illustrant la cohérence de ces deux méthodes géophysiques de sensibilités différentes (résolution spatiale et temporelle, objet imagé). L'hétérogénéité spatiale des stocks d'eau est appréhendée, à l'échelle du bassin versant (~2.5 km2), par une saison de mesures intensives de microgravimétrie. Des variations dynamiques de la gravité de faible à moyenne amplitude (≤ 220 nm s-2) sont détectées et analysées avec minutie afin de mieux évaluer la variabilité intrasaisonnière des différents réservoirs hydriques en présence. L'hétérogénéité de stockage dans la zone vadose apparaît comme la source principale de variabilité spatiale du signal gravimétrique à l'échelle locale (< 1 km).
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