Dynamique spatio-temporelle des états de surface et influence sur le ruissellement sur un bassin de type sahélien: cas du bassin de Tougou (Nord Burkina Faso) - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2020

Spatio-temporal land use and land cover dynamics and impact on surface runoff in a sahelian landscape: case of Tougou watershed (Northern Burkina Faso)

Dynamique spatio-temporelle des états de surface et influence sur le ruissellement sur un bassin de type sahélien: cas du bassin de Tougou (Nord Burkina Faso)

Résumé

La dynamique spatio-temporelle des états de surface est un facteur déterminant de la réponse hydrologique d’un bassin versant. Ce constat se pose avec plus d’acuité dans le cas des hydrosystèmes sahéliens, où il est avéré que les processus de génération du ruissellement de surface sont sous la quasi-dépendance des états de surface du sol. Parmi les données d’entrée, la modélisation hydrologique nécessite la cartographie de l’occupation des sols sur l’espace de simulation. Cette donnée est d’une importance particulière car elle indique au modèle l’organisation du paysage et lui permet d’intégrer la variabilité spatiale au cœur des processus hydrologiques à simuler. Cependant, dans la pratique, une couche unique d’états de surface est en général fournie au modèle hydrologique et reste statique pour une simulation souvent conduite de longue durée (de l’ordre de plusieurs dizaines d’années). Si en général, en raison de l’équifinalité des paramètres de modélisation, on arrive toujours à représenter les données observées, cela se traduit par un biais de précision sur l’allure temporelle des flux hydrologiques simulés, qui peut être significatif. Cette étude vise à apporter une contribution à la quantification de l’impact de la dynamique spatio-temporelle des états de surface sur le ruissellement dans le contexte des hydrosystèmes sahéliens. Le bassin versant sahélien de Tougou (37 km²), situé dans la province du Yatenga (dans la Région du Nord, Burkina Faso) a été retenu comme cadre d’étude. La cartographie du paysage du bassin versant a été reconstituée de 1952 à 2017 par la télédétection. Une analyse diachronique a permis de quantifier l’intensité de transformation du paysage, qui a pu être mise en lien avec l’évolution de la pluviométrie et la pression anthropique sur la même période. Il apparait principalement que de 1952 à 2017 sur le bassin de Tougou, la végétation naturelle a significativement diminué (de 46 à 2,5%) tandis que les sols dégradés et cultivés ont connu une expansion (de 3 à 33,5% et de 51 à 64%, respectivement). L’évolution spatiale du bassin a été projetée à l’horizon 2050, à l’aide d’un réseau de neurones artificiel et de perspectives démographiques, annonçant une hausse des sols cultivés à 90,2% de l’espace du bassin. Les implications hydrologiques de cette dynamique spatio-temporelle des états de surface ont été ensuite évalués par la modélisation hydrologique. À cet effet, le modèle agro-hydrologique SWAT (Soil & Water Assessment Tool) a été calibré et validé sur des données observées de ruissellement, collectées sur la période 2004-2018, à l’exutoire du bassin versant. Les simulations ont été conduites sous deux scénarios : un scénario utilisant une carte statique des états de surface (en 1999), correspondant à l’approche classique de modélisation hydrologique ; un second scénario intégrant de façon dynamique l’évolution des états de surface sur le bassin de 1999 à 2017. Ce second scénario a permis une reproduction plus précise du ruissellement observé (aux pas de temps journalier, mensuel, annuel), mais aussi une estimation plus objective d’autres processus hydrologiques tels que l’évapotranspiration réelle et la recharge profonde. En se servant des paramètres de modélisation calibrés en scénario dynamique, les écoulements sur le bassin versant de Tougou ont été reconstitués sur la période historique 1952-2005. À ce stade, il a pu être montré à nouveau que seule l’intégration de la dynamique spatio-temporelle des états de surface permettait de reproduire le paradoxe hydrologique des hydrosystèmes sahéliens, bien connu des hydrologues. Ensuite, en analysant les contributions isolées du climat et des états de surface sur la hausse du ruissellement entre les sous périodes 1952-1968 et 1986-2005, il apparait que l’impact de la dynamique des états de surface domine sur celui de la variabilité du climat. En ce qui concerne l’évolution future du bassin de Tougou dans un contexte de changement climatique, un ensemble de 5 modèles régionaux (issus de CORDEX-Africa) a été constitué dans le cadre de cette étude. Cet ensemble prévoit, à l’horizon 2050, une baisse non significative de la pluie (2,3 à 3%) et une hausse significative de l’évapotranspiration potentielle (5 à 6%). En considérant également l’augmentation projetée pour les sols cultivés, l’écoulement moyen annuel est projeté en baisse en scénario RCP4.5 (11,7%), principalement causé par l’augmentation des sols cultivés. Par contre, en scénario RCP8.5, une légère hausse de l’écoulement moyen annuel (0,6%) est projetée, attribuable à l’intensification de la pluie, qui domine alors sur l’effet de la dynamique des états de surface. En définitive, les résultats de cette étude permettent d’interpeller les hydrologues et dans une plus large mesure, les acteurs de la gestion et de la planification de la ressource en eau. Cette étude sert de plaidoyer en faveur du suivi de l’évolution spatio-temporelle des états de surface, mais aussi du couplage de cette information dans la modélisation hydrologique en tant que nouvelle pratique. Aussi, la recherche devrait s’orienter vers le développement d’outils et de plateformes de modélisation intégrées prenant en considération ces aspects, afin de permettre une meilleure prévision de la ressource en eau, en particulier dans le cas des hydrosystèmes sahéliens.
Land use/land cover (LULC) changes is a major factor explaining the hydrological response of a watershed. Such observation stands more acutely in the case of Sahelian hydrosystems, where it acknowledged that surface runoff generation processes are typically dependent on soil surface conditions. Hydrological modelling requires a LULC map of the simulation space among the input data. This information is of particular importance as it indicates to the model the organization of the landscape and allows seamless integration of spatial variability in the simulation of hydrological processes. However, in practice, a single LULC map is usually provided to the model and remains static for a simulation that is often conducted over a long period (up several tens of years). Eventually, due to the equifinality of the modelling parameters, the model always manages to represent the observed data. However, this results in biases on the temporal patterns of the simulated processes, which can be significant. This study aims to contribute to the quantification of the impact of LULC changes on surface runoff in the context of Sahelian hydrosystems. The Tougou watershed (37 km²), located in the province of Yatenga (in the Northern Region, Burkina Faso) is selected as a case study. LULC maps of the watershed are produced from 1952 to 2017 through remote sensing. LULC change analysis revealed the intensity of the landscape transformation, which is related to the evolution of rainfall and anthropic pressure over the same period. It mainly appears that from 1952 to 2017 in the Tougou watershed, the natural vegetation significantly decreased (from 46 to 2.5%) while bare/degraded and cultivated soils expanded (from 3 to 33.5% and 51 to 64%, respectively). The spatial development of the basin is projected for 2050, using an artificial neural network and demographic perspectives, predicting an increase in cultivated soils to 90.2% of the watershed area. The hydrological implications of these LULC dynamics are assessed through hydrological modelling. To this end, the SWAT (Soil & Water Assessment Tool) model is calibrated and validated on observed runoff data, collected over the period 2004-2018, at the watershed outlet. The simulations are carried out under two scenarios: a scenario using a static LULC map (in 1999), corresponding to the classical modelling approach; a second scenario, integrating dynamically the observed LULC trends in the watershed from 1999 to 2017. This second scenario allows a more precise simulation of the observed runoff (at daily, monthly, annual time scales), but also a better estimate of other processes such as actual evapotranspiration and deep recharge. Using calibrated parameters in the dynamic scenario, surface runoff over the Tougou watershed were reconstructed over the historical period 1952-2005. At this stage, it is shown once again that only the integration of the LULC dynamics helps in reproducing the Sahelian hydrological paradox, well known to hydrologists. Therefore, by analysing the isolated contributions of climate variability and LULC changes on the increase in runoff between the sub-periods 1952-1968 and 1986-2005, it appears that the impact of LULC changes is dominant over the climate variability. Regarding the future evolution of the Tougou basin in the face of climate change, an ensemble of five (5) regional models (from the CORDEX-Africa package) was constructed as part of this study. This ensemble projects, by 2050, a non-significant decrease in rainfall (2.3 to 3%) and a significant increase in potential evapotranspiration (5 to 6%). Considering the projected increase for cultivated soils, the average annual runoff is projected to decrease in the RCP4.5 scenario (by 11.7%), mainly caused by the increase in cultivated soils (LULC change). In opposite, in the RCP8.5 scenario, a slight increase in the mean annual runoff (by 0.6%) is projected, attributable to the intensification of rainfall, which tends to dominate the effect of the increase in cultivated soils (LULC change). The results of this study call to hydrologists and, to a greater extent, planners and managers of water resources. This study stands a pledge in favour of the monitoring of LULC trends and change at the watershed scale, but also the coupling of this information in hydrological modelling as a new practice. Also, research should be directed towards the development of integrated modelling tools and platforms to this end, to allow better forecasting of water resources, in particular in the case of Sahelian hydrosystems.
Fichier principal
Vignette du fichier
These Doctorat unique_YONABA_Ousmane_Roland_2020.pdf (15.44 Mo) Télécharger le fichier
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)

Dates et versions

tel-03119095 , version 1 (22-01-2021)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03119095 , version 1

Citer

Roland Ousmane Yonaba. Dynamique spatio-temporelle des états de surface et influence sur le ruissellement sur un bassin de type sahélien: cas du bassin de Tougou (Nord Burkina Faso). Hydrologie. Institut International d'Ingénierie de l'Eau et de l'Environnement, 2020. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-03119095⟩

Collections

TDS-MACS
521 Consultations
108 Téléchargements

Partager

Gmail Facebook X LinkedIn More