Quels sont les impacts de la dynamique de la végétation et de l'humidité du sol sur les émissions de particules minérales au Sahel ?
mai 2013Pierre, C., G. Bergametti, B. Marticorena, E. Mougin, C. Bouet, and C. Schmechtig (2012), Impact of vegetation and soil moisture seasonal dynamics on dust emissions over the Sahel, J. Geophys. Res., 117, D06114, doi:10.1029/2011JD016950
Quelle est la quantité de particules minérales émises dans l'atmosphère depuis la région semi-aride du Sahel? Si les émissions de poussières sont aujourd'hui relativement bien contraintes concernant les zones arides, dont les propriétés de surface évoluent peu au regard des échelles de temps considérées, il n'en va pas de même des régions semi-arides. Celles-ci en effet, de part les précipitations saisonnières dont elles sont le lieu, présentent une dynamique des propriétés de surface (notamment par le développement d'un couvert végétal saisonnier) qui induit une complexité supplémentaire à prendre en compte. Or l'étude des particules minérales est motivée par leurs impacts globaux (bilan radiatif, impact biogéochimique dans les zones océaniques éloignées, physique des nuages) ainsi que locaux (corrélation observée entre évènements de poussière et épidémie de méningite, évolution de la fertilité du sol dans les zones cultivées,...).
Photo : Evènement intense d'émissions de poussières au Sahel (photo : campagne AMMA 2006)
Afin de traiter cette question, une approche par modélisation est proposée, alliant un modèle de végétation sahélienne (STEP) [Mougin et al., 1995] à un modèle d'émission des particules minérales par érosion éolienne (DPM) [Marticorena and Bergametti, 1995]. La zone considérée comprend la ceinture sahélienne (12°N-20°N, 20°W-35°E) et les simulations ont été faites à une résolution de 0.25° pour les années 2004 à 2007. Le forçage de pluie est un produit satellitaire de dernière génération (Tropical Rainfall Measuring Mission), les autres forçages provenant du centre européen (ECMWF). Une paramétrisation empirique est utilisée pour déterminer la rugosité dynamique de la surface, facteur clé pour estimer les émissions de particules minérales sous l'effet du vent. L'ensemble des simulations a été comparé, étape par étape, à des observations satellitaires.
Figure : Emissions de particules minérales simulées par le modèle DPM, prenant en compte l'humidité du sol et la végétation saisonnière estimées par le modèle STEP pour 2007.
En termes de principaux résultats, les flux annuels de poussières émis depuis la zone d'étude sont compris entre 100 et 400 Mt selon l'année, en accord avec de précédentes études portant sur la région Saharienne. Dans la frange géographique où la végétation herbacée interfère avec les émissions de poussières, ces dernières varient de 0.5 à 20 Mt selon l'année. L'inhibition de l'érosion due à la dynamique saisonnière de la végétation et de l'humidité du sol sur cette frange varie quant à elle entre 20 et 35%.
Mots clés : modélisation, Sahel, émissions de particules minérales, végétation, humidité du sol
La diminution de l'infiltrabilité des sols sahéliens accélère le ruissellement et l'infiltration profonde
juillet 2012Le cycle de l'eau au Sahel semble significativement modifié ces dernières décennies comme suite à la grande sécheresse et à la croissance démographique, qui ont causé un fort changement d'usage des sols. Une importante diminution de l'infiltrabilité des sols est observée, qui se traduit par une augmentation significative des ruissellements et la généralisation de formes d'érosion à même d'accentuer les modifications observées dans le cycle de l'eau en favorisant l'infiltration profonde dans les zones de concentration et par suite la recharge de la nappe.
Un petit bassin de la zone endoréique, représentatif de l'ensemble des comportements hydrologiques est étudié dans le cadre d'AMMA depuis 2004 pour quantifier ces phénomènes.
Le site d'étude
Dans une grande partie du Sahel, la baisse de la pluviométrie après 1968 s'est accompagnée d'un accroissement des écoulements superficiels. Ceux-ci et la diminution du couvert végétal ont accéléré l'érosion et entraîné la formation de nouvelles formes de dépôts sableux : zone d'épandage, cônes de déjection, épais dépôts dans le fond des ravines. On cherche à savoir si ces dépôts sableux peuvent être des zones d'infiltration profonde. Les sites instrumentés sont les bassins expérimentaux de Wankama et Tondi Kiboro (voir localisation ci-dessous).
Le dispositif expérimental: un suivi complet de l'eau dans le bassin versant
Le dispositif est composé d'un réseau de pluviographes et de limnigraphes permettant de contrôler l'entrée de l'eau dans le système et sa sortie sous forme d'écoulement.
Il est complété par un suivi de la teneur en eau de la zone racinaire (0-3m) au pas de temps de la demi-heure (tensiomètres et capteurs de teneur en eau) sur 2 profils par station (trois stations) et par un suivi neutronique bi-mensuel au delà jusqu'à 10 et parfois 25 m, sur 39 tubes d'accès neutronique.
Caractérisation des sols de surface
L'infiltromètre à disque et à succion contrôlée permet de caractériser les propriétés hydrodynamiques des sols ; il permet de mesurer leur sorptivité et leur conductivité hydraulique.
Les résultats
Les résultats montrent une grande différence de comportement entre les versants et les zones de dépôt sableux :- les sols de culture et de jachère ont une faible perméabilité, sauf sous mil après le sarclage, et un encroûtement superficiel croissant d'une année sur l'autre qui provoque une augmentation de la part de l'eau qui ruisselle et une diminution de l'infiltration (figure a : pas de variation du stock d'eauo donc pas d'infiltration observée au-delà de 2 m de profondeur);
- les zones de dépôts sableux, le plus souvent récents et en forte croissance, où la très forte perméabilité permet un stockage immédiat de l'eau et son infiltration dans les heures suivant les précipitations, jusqu'à des profondeurs ne permettant plus de reprise par l'évaporation ni par les systèmes racinaires. Sur les figures b et c, on remarque une forte augmentation de la teneur en eau pendant la mousson, pour deux zones de dépôts sableux récentes ; on mesure cette infiltration jusqu'à 10 m de profondeur. La figure d montre la progression du front d'humectation dans les différents milieux (moyenne 2005-2011). On voit bien la progression du front d'infiltration qui s'arrête à 2 m sous le mil ou la jachère (a) ; par contre, sous les zones de dépôts sableux (b) et les ravines (c) l'infiltration est plus précoce dans la saison, plus rapide et plus profonde puisqu'elle dépasse 10 m. Cette eau contribue à l'alimentation de la nappe.
Les nouvelles zones de dépôts sableux se sont multipliées ces dernières décennies avec la dégradation des sols ; les mesures combinées présentées ici montrent qu'elles constituent des zones d'infiltration profonde ; elles pourraient donc contribuer à expliquer l'accélération récente de la recharge de l'aquifère du CT3 dans les environs de Niamey (voir fiche actu «Recharge des nappes phréatiques au Sahel : quantification par résonance magnétique des protons » ). Par ailleurs la diminution de l'infiltration dans les champs se traduit par un risque de crue et d'inondation accrus en aval.
Pour en savoir plus:
Descroix, L., Laurent, J-P., Vauclin, M., Amogu, O., Boubkraoui, S., Ibrahim, B., Galle, S., Cappelaere, B., Bousquet, S., Mamadou, I., Le Breton, E., Lebel, T., Quantin, G., Ramier, D., Boulain, N. 2012. Experimental evidence of deep infiltration under sandy flats and gullies in the Sahel. Journal of Hydrology 424-425, 1-15; doi:10.1016/j.jhydrol.2011.11.019
Recharge des nappes phréatiques au Sahel : quantification par résonance magnétique des protons
mars 2012Au Sahel où l'essentiel de la ressource en eau est souterraine, l'estimation du renouvellement des nappes aquifères est un enjeu majeur, mais c'est aussi un défi scientifique et technique en raison notamment de la forte variabilité spatio-temporelle des précipitations et des états de surface.
A l'occasion de la parution d'un article dans la revue Ground Water, nous proposons ici une synthèse des résultats de 5 années de travaux sur l'apport de la méthode RMP pour améliorer la fiabilité des modèles hydrogéologiques et l'estimation de la recharge de l'aquifère au Niger semi-aride.
Le site d'étude
Au sud-ouest Niger, le niveau de la nappe s'est élevé de plus de 4 mètres depuis 1960 malgré une sécheresse prolongée depuis les années 70. Cette situation paradoxale a été expliquée par une augmentation de la recharge liée à la déforestation qui a favorisé le ruissellement et le remplissage des mares temporaires (principales sources de recharge de la nappe). Néanmoins, pour bien reproduire les observations, une estimation précise des paramètres contrôlant cette recharge restait à faire. A cette fin, les mesures effectuées dans le cadre du Service d'observation AMMA-Catch, ont été complétées par une prospection RMP sur 35 sites répartis sur 5000 km².
La méthode RMP
La résonance magnétique protonique (RMP) est une méthode géophysique non destructive qui est directement sensible à l'eau souterraine. Elle permet non seulement de connaître la distribution d'eau en profondeur, mais aussi d'estimer la perméabilité des aquifères à partir d'une relation empirique qui est calibrée dans le contexte étudié avec quelques essais de pompages.
En parallèle des mesures RMP, des sondages TDEM (time domain electromagnetic) ont été réalisés pour estimer rapidement et précisément la profondeur de la base de l'aquifère constituée d'argile grise très conductrice électriquement (5-6 Ohm.m).
La modélisation hydrogéologique
Les mesures géophysiques ont servi à vérifier la pertinence des paramètres hydrodynamiques (porosité et perméabilité) du modèle numérique hydrogéologique existant. Le modèle initial a été construit par des collègues de HSM (Hydro Sciences Montpellier) pour simuler l'évolution des niveaux piézométriques entre 1992 et 2003. Il utilise en entrée les résultats d'un modèle de ruissellement qui calcule le volume d'eau accumulé dans les mares pour alimenter la recharge de la nappe. En l'absence de mesure, le modèle hydrogéologique estime les paramètres les mieux adaptés, mais à cause d'un problème d'équifinalité entre les paramètres, plusieurs solutions sont possibles. Une estimation indépendante des paramètres hydrodynamiques par RMP permet de vérifier le réalisme du modèle hydrogéologique et aussi celui du modèle de ruissellement qui l'alimente.
Les résultats
Les résultats RMP ont montré une porosité moyenne supérieure à celle précédemment utilisée et ont permis de réduire de 50% la gamme de porosité et de 2 ordres de grandeur la gamme de perméabilité à introduire dans le modèle hydrogéologique. La réduction de ces gammes de paramètres permet de simplifier le modèle et de préciser l'estimation de la recharge nette de l'aquifère. La recharge ainsi obtenue ( 22 mm/an), plus de 4 fois supérieure à la recharge du modèle initial ( 5 mm/an), suggère une plus grande densité des zones de recharge que ce qui avait été estimé auparavant et remet en cause un schéma d'alimentation de la nappe exclusivement par les mares identifiées. Des études complé-mentaires montrent que l'infiltration profonde peut aussi avoir lieu sous les ravines et cônes alluviaux.
La méthodologie présentée ici peut être appliquée dans beaucoup d'autres aquifères libres, même si la dynamique de la nappe est différente (par exemple baisse de la nappe). Elle peut considérablement améliorer le réalisme des modèles dans un contexte de changements des ressources en eaux souterraines à long terme.
Références associées
- Boucher M., Favreau G., Nazoumou Y., Cappelaere B., Massuel S., Legchenko A. 2011. Constraining groundwater modeling with magnetic resonance soundings. Ground Water, Early View, doi 10.1111/j.1745-6584.2011.00891.x.
- Boucher M., Favreau G., Descloitres M., Vouillamoz J.M., Massuel S., Nazoumou Y., Legchenko A. 2009. Contribution of geophysical surveys to groundwater modelling of a porous aquifer in semiarid Niger : An overview. C. R. Geosci. 341, 800-809.
- Boucher M., Favreau G., Vouillamoz J.M., Nazoumou Y., Legchenko A. 2009. Estimating specific yield and transmissivity with magnetic resonance sounding in an unconfined sandstone aquifer (Niger). Hydrogeol. J. 2009 (17), 1805-1815.
- Massuel S., Cappelaere B., Favreau G., Leduc C., Lebel T., Vischel T. 2011. Integrated surface water-groundwater modelling in the context of increasing water reserves of a regional Sahelian aquifer. Hydrolog. Sci. J. 56, 1242-1264.
- Vouillamoz J.M., Favreau G., Massuel S., Boucher M., Nazoumou Y., Legchenko A. 2008. Contribution of Magnetic Resonance Sounding to aquifer characterization and recharge estimate in semiarid Niger. J. Appl. Geophys. 64 (3-4), 99-108.
Le paradoxe du Sahel
février 2009On observe depuis une quarantaine d'années une augmentation significative des ruissellements et des écoulements dans tout le Sahel, malgré la baisse des précipitations (aujourd'hui stoppée), et ce à toutes les échelles:
A l'échelle des petits bassins-versants élémentaires, la diminution de la couverture végétale conduit à un accroissement du ruissellement et des débits, ainsi qu'à une érosion active qui a pour conséquence l'apparition de zones de dépôts sableux sur les replats et les bas fonds. Dans le bassin de Tondi Kiboro (voir, fig1, son occupation des sols en 1993 et 2007), l'accroissement des plages de sol nu a provoqué un doublement des volumes écoulés en 15 ans. (M2R Kadidiatou Souley Yéro, 2008)
Fig 1: Occupation du sol du bassin versant de Tondi Kiboro
Le débit du fleuve Niger entre Kandadji et Niamey a augmenté en début de Mousson (fig 2), depuis une vingtaine d'années, du fait du seul apport d'une dizaine de bassins de quelques centaines de km², auparavant endoréiques ou non contributifs; ces « koris », cours d'eau intermittents, ont formé de gros cônes de déjection , provoquant un ensablement grave du lit du fleuve Niger (thèse de Okechukwu Amogu, 2009). C'est surtout la région de Niamey qui est concernée, probablement du fait du très fort déboisement causé par la demande en bois de la ville.
Fig 2: Evolution de la forme de la crue du Niger à Kandadji et à Niamey
Tous les cours d'eau sahéliens ont vu leurs débits augmenter, depuis le début de la sécheresse au Sahel (1968) (fig 3), entraînant une hausse des
coefficients d'écoulement encore plus marquée (un doublement en 40 ans dans certains cas); ceci est observé dans les bassins de la Volta et du Niger,
mais aussi du Sénégal (Descroix et al., J. of Hydrol., 2009).
De ce fait, à la station de Niamey la baisse du débit du fleuve est du même ordre de grandeur que celle de la lame précipitée, contrairement à ce qui est observé en amont (zone soudano-guinéenne) où les débits ont baissé deux fois plus que la pluie.
Fig 3: Evolution des débits moyens de quelques cours d'eau Sahéliens
Dans les secteurs endoréiques, cet accroissement des écoulements a provoqué un accroissement du volume et de la durée des mares, et dans certains sites, ceci a entraîné une hausse de la nappe phréatique (Cappelaere et al., 2009).
C'est cette augmentation des écoulements en dépit de la baisse des précipitations qu'on appelle le « paradoxe du Sahel ».
Les recherches en cours visent à déterminer si les changements d'usage des sols ne pourraient pas en rétro-action avoir une influence sur les précipitations.
Bilan d'énergie: végétation, albédo et rayonnement net sur le site d'Agoufou dans le Gourma, Mali
octobre 2008L'albédo, le rapport entre le rayonnement réfléchi et le rayonnement incident, est une variable clef du bilan d'énergie, des échanges entre la surface et l'atmosphère et de leurs mécanismes de rétroactions.
L'analyse de données d'albédo sur le site d'Agoufou dans le Gourma malien a montré que le contrôle du bilan radiatif par la surface est très fort, et prend plusieurs formes : variabilité interannuelle de la croissance de la végétation, dynamique des pailles et de la litière, interactions avec les aérosols, couverture ligneuse et pression de pâture (Samain et al. 2008).
La figure 1 montre l'évolution de l'albédo dérivé des données satellites et de mesures in-situ sur Agoufou : on observe en particulier une augmentation continue de l'albédo de mi 2003 à mi 2005 correspondant au déficit de précipitation en 2004, année marquée par une sécheresse importante sur le Sahel. Cette période de sécheresse a limité fortement la croissance de la végétation en 2004 (Fig. 2) ce qui a entraîné une augmentation continue de l'albédo observé en fig.1. Cette augmentation a eu des conséquences très importantes sur le bilan d'énergie: un exemple (Fig 3) montre la baisse importante (environ 20 W/m2) de rayonnement net observé par la station d'Agoufou pendant l'année 2004 par rapport à l'année 2005.
Il est probable que des effets de cette ampleur aient renforcé la sécheresse qui sévit depuis plusieurs décennies au sahel.
Fig 1: Albédo (valeurs à gauche) dérivé de MODIS (noir) et données de station (gris) pour le site d'Agoufou et précipitation mensuelle (valeurs à droite)
Samain et al. 2008
Fig 2: Anomalies de la productivité végétale sur le site d'Agoufou pendant la période 1984-2006
Hiernaux et al. 2008
Fig 3: Rayonnement net (bleu) et précipitation journalière (rose) mesurées sur le site d'Agoufou en 2004 et 2005
Guichard et al. 2008
References:
- Samain O., Kergoat L., Hiernaux P., Guichard F., Mougin E., Timouk F., Lavenu† F., 2008, Analysis of the in-situ and MODIS albedo variability at multiple time scales in the Sahel. JGR Atmosphere, 113, D14119, doi:10.1029/2007JD009174.
- Hiernaux P., Mougin E., Diarra L., Soumaguel N., Lavenu† F., Tracol Y., Diawara M., 2008, Sahelian rangeland response to changes in rainfall over two decades in the Gourma region, Mali. Journal of Hydrology, 375(1-2): 114-127
- Guichard F., Kergoat L., Mougin E., Timouk F., Baup F., Lavenu† F., 2008, Surface thermodynamics and radiative budget in the sahelian Gourma. Seasonal and diurnal cycles. Journal of Hydrology, 375(1-2): 161-177
Identification des processus d'échange Sol/Atmosphère par scintillométrie infrarouge à l'échelle du bassin versant, Bénin
octobre 2008
Le scintillomètre mesure les fluctuations de puissance d'un signal infra-rouge émis entre un émetteur et un récepteur distants de 2,4 km pour la configuration installée sur le bassin d'Ara près de Djougou au Bénin. Ces fluctuations sont directement reliées aux variations de température occasionnées par la turbulence dans la couche limite. Elle sont mesurées par le coefficient de structure pour la température CT2 et caractéristiques des flux de chaleur sensible à l'échelle du dispositif expérimental. La figure 2a montre l'évolution temporelle sur 24 heures de CT2 et le flux de chaleur sensible mesuré ponctuellement sur le bassin versant par eddy corrélation. Elle montre la pertinence de cette approche pour évaluer des flux de chaleur sensible à l'échelle du bassin versant.
Le dispositif expérimental sur le bassin d'Ara permet d'autre part d'évaluer le bilan radiatif et les flux moyens dans le sol. La mise en commun de toutes ces mesures permet d'estimer le flux de chaleur latente à l'échelle du bassin versant comme résidu du bilan d'énergie.
La figure 2b montre le flux de chaleur latente autour d'un épisode de pluie isolé (jour 44) pendant la saison sèche 2006. Elle montre une contribution très faible inférieure à 0,5mm/jour avant l'épisode de pluie et une contribution bien supérieure quelques jours après l'épisode (entre 4,5 et 2 mm). L'évapotranspiration le jour suivant l'épisode de pluie égale l'évapotranspiration potentielle. Dix jours après l'épisode de pluie l'évapotranspiration se stabilise à des valeurs de l'ordre de 1,5mm soit 3 fois plus qu'avant l'épisode de pluie. Cette évolution suggère que cette pluie isolé permet de remettre en fonctionnement la végétation pérenne sur des périodes de plusieurs décades.
Fig 2a: Coefficient de structure CT² (rouge) et flux de chaleur sensible mesuré par eddy corrélation (bleu) entre 6h00 et 18h00
Fig 2b: Flux de chaleur latente (rouge) et Evapotranspiration potentiel (bleu) pour une période de 12 jours pendant la saison sèche 2006