40 pages
Français

Occupation des sols et régimes hydrologiques : les enseignements des bassins versants guyanais - article ; n°581 ; vol.104, pg 26-63

-

Obtenez un accès à la bibliothèque pour le consulter en ligne
En savoir plus

Description

Annales de Géographie - Année 1995 - Volume 104 - Numéro 581 - Pages 26-63
The effect of land use and vegetal cover changes on runoff regimes is taken as one of the most typical effects of mon activity on the hydrological cycle. A presentation of the available methods and tools used by the hydrologist to assess these effects (such as the paired watershed approach), shows that even if these impacts do exist, it might be very difficult to quantify them.
The data collected on ten small watersheds during the Ecerex experiment in French Guyana is taken as a case study. According to the watershed and to the hydrological parameter considered (annual runoff, peak flow), the hydrological effects of land use changes were assessed with high accuracy and quantified with a very low statistical risk, but for some of the experiments, the uncertainty was much wider and the outcome is more a presumption than a scientific proof. The major issue for evaluating the effects of any treatment is the capacity of the hydrologist to predict the hydrological behaviour which would have been observed on a specifie treated watershed under the same climatic conditions, if the treatment would not have been applied.
The Ecerex experiment started with a 2-year calibration period, which has shown a wide range of runoff under natural forest : for a similar amount of rainfall, the variation of runoff within the set of the ten watershed was in a range of 1 to 5, Le. stormflow volumes varied from 7 % to 54 % of the rainfall, according to soil characteristics. The initial treatment (logging followed by mechanised land clearing) has created bare soil conditions for seven of the watersheds. The increase of stormflow during the first year after the treatment was very high (+ 228 mm to + 714 mm, or + 66 % to + 199 % in relative terms). The highest relative increases were observed for the watersheds having the lowest flows in natural conditions. The treatments applied include natural regrowth of the forest, fast-growing tree plantation (pine, eucalyptus), fruit trees plantation, grazing, traditional slash-and-burn agriculture. The effects on annual stormflow and on peak discharges were quantified for the first years after the application of the treatments.
L'influence du couvert végétal sur les écoulements est un thème souvent invoqué lorsqu'il est question des effets anthropiques sur le cycle hydrologique. En présentant les méthodes et les procédés habituellement utilisés (telle que la méthode des bassins jumelés), on montre pourquoi il est très difficile en pratique de mettre en évidence et de quantifier ces effets. En s'appuyant sur des études de cas tirées du programme Ecérex en Guyane française, on montre que selon le bassin versant et selon le paramètre hydrologique considéré (écoulement annuel, pointe de crue), les effets hydrologiques des manipulations du couvert végétal (déboisement, reboisement, conversion de forêt en prairie, etc.), peuvent dans certains cas être évalués avec précision et avec un risque statistique très faible, mais que dans d'autres cas l'incertitude est beaucoup plus grande et qu'il y a présomption hydrologique plutôt que preuve scientifique. La sensibilité de cette étude d'impact sur un bassin traité dépend pour l'essentiel de la capacité à reconstituer le comportement hydrologique du bassin en l'absence du traitement.
38 pages
Source : Persée ; Ministère de la jeunesse, de l’éducation nationale et de la recherche, Direction de l’enseignement supérieur, Sous-direction des bibliothèques et de la documentation.

Sujets

Informations

Publié par
Publié le 01 janvier 1995
Nombre de lectures 77
Langue Français
Poids de l'ouvrage 3 Mo

Jean-Marie Fritsch
Occupation des sols et régimes hydrologiques : les
enseignements des bassins versants guyanais
In: Annales de Géographie. 1995, t. 104, n°581-582. pp. 26-63.
Citer ce document / Cite this document :
Fritsch Jean-Marie. Occupation des sols et régimes hydrologiques : les enseignements des bassins versants guyanais. In:
Annales de Géographie. 1995, t. 104, n°581-582. pp. 26-63.
doi : 10.3406/geo.1995.13867
http://www.persee.fr/web/revues/home/prescript/article/geo_0003-4010_1995_num_104_581_13867Abstract
The effect of land use and vegetal cover changes on runoff regimes is taken as one of the most typical
effects of mon activity on the hydrological cycle. A presentation of the available methods and tools used
by the hydrologist to assess these effects (such as the paired watershed approach), shows that even if
these impacts do exist, it might be very difficult to quantify them.
The data collected on ten small watersheds during the Ecerex experiment in French Guyana is taken as
a case study. According to the watershed and to the hydrological parameter considered (annual runoff,
peak flow), the hydrological effects of land use changes were assessed with high accuracy and
quantified with a very low statistical risk, but for some of the experiments, the uncertainty was much
wider and the outcome is more a presumption than a scientific proof. The major issue for evaluating the
effects of any treatment is the capacity of the hydrologist to predict the hydrological behaviour which
would have been observed on a specifie treated watershed under the same climatic conditions, if the
treatment would not have been applied.
The Ecerex experiment started with a 2-year calibration period, which has shown a wide range of runoff
under natural forest : for a similar amount of rainfall, the variation of runoff within the set of the ten
watershed was in a range of 1 to 5, Le. stormflow volumes varied from 7 % to 54 % of the rainfall,
according to soil characteristics. The initial treatment (logging followed by mechanised land clearing)
has created bare soil conditions for seven of the watersheds. The increase of stormflow during the first
year after the treatment was very high (+ 228 mm to + 714 mm, or + 66 % to + 199 % in relative terms).
The highest relative increases were observed for the watersheds having the lowest flows in natural
conditions. The treatments applied include natural regrowth of the forest, fast-growing tree plantation
(pine, eucalyptus), fruit trees plantation, grazing, traditional slash-and-burn agriculture. The effects on
annual stormflow and on peak discharges were quantified for the first years after the application of the
treatments.
Résumé
L'influence du couvert végétal sur les écoulements est un thème souvent invoqué lorsqu'il est question
des effets anthropiques sur le cycle hydrologique. En présentant les méthodes et les procédés
habituellement utilisés (telle que la méthode des bassins jumelés), on montre pourquoi il est très difficile
en pratique de mettre en évidence et de quantifier ces effets. En s'appuyant sur des études de cas
tirées du programme Ecérex en Guyane française, on montre que selon le bassin versant et selon le
paramètre hydrologique considéré (écoulement annuel, pointe de crue), les effets hydrologiques des
manipulations du couvert végétal (déboisement, reboisement, conversion de forêt en prairie, etc.),
peuvent dans certains cas être évalués avec précision et avec un risque statistique très faible, mais que
dans d'autres cas l'incertitude est beaucoup plus grande et qu'il y a présomption hydrologique plutôt
que preuve scientifique. La sensibilité de cette étude d'impact sur un bassin traité dépend pour
l'essentiel de la capacité à reconstituer le comportement hydrologique du bassin en l'absence du
traitement.Occupation des sols
et régimes hydrologiques
les enseignements de bassins
versants guyanais
Jean-Marie O.R.S.T.O.M Fritsch
Résumé influence du couvert végétal sur les écoulements est un thème
souvent invoqué il est question des effets anthropiques sur le cycle
hydrologique En présentant les méthodes et les procédés habituellement
utilisés telle que la méthode des bassins jumelés) on montre pourquoi il
est très difficile en pratique de mettre en évidence et de quantifier ces effets
En appuyant sur des études de cas tirées du programme Ecérex en Guyane
fran aise on montre que selon le bassin versant et selon le paramètre
hydrologique considéré écoulement annuel pointe de crue) les effets hydro
logiques des manipulations du couvert végétal déboisement reboisement
conversion de forêt en prairie etc.) peuvent dans certains cas être évalués
avec précision et avec un risque statistique très faible mais que dans autres
cas incertitude est beaucoup plus grande et il présomption hydrolo
gique plutôt que preuve scientifique La sensibilité de cette étude impact
sur un bassin traité dépend pour essentiel de la capacité reconstituer le
comportement hydrologique du bassin en absence du traitement
Abstract The effect of land use and vegetal cover changes on runoff
regimes is taken as one of the most typical effects of man activity on the
hydrological cycle presentation of the available methods and tools used
by the hydrologist to assess these effects such as the paired watershed
approach) shows that even if these impacts do exist it might be very
difficult to quantify them
The data collected on ten small watersheds during the Ecérex experiment
in French Guyana is taken as case study According to the watershed and
to the hydrological parameter considered annual runoff peak flow) the
hydrological effects of land use changes were assessed with high accuracy
Ann Gèo. no 581-582 1995 pages 26-63 Armand Colin OCCUPATION DES SOLS ET GIMES HYDROLOGIQUES 27
and quantified with very low statistical risk but for some of the experi
ments the uncertainty was much wider and the outcome is more
presumption than scientific proof The major issue for evaluating the effects
of any treatment is the capacity of the hydrologist to predict the hydrological
behaviour which would have been observed on specific treated watershed
under the same climatic conditions if the treatment would not have been
applied
The Ecerex experiment started with 2-year calibration period which
has shown wide range of runoff under natural forest for similar amount
of rainfall the variation of within the set of the ten watershed was
in range of to i.e stormflow volumes varied from to 54 of
the rainfall according to soil characteristics The initial treatment logging
followed by mechanised land clearing has created bare soil conditions for
seven of the watersheds The increase of stormflow during the first year after
the treatment was very high 228 mm to +714 mm or 66 to 199
relative terms The highest relative increases were observed for the
watersheds having the lowest flows in natural conditions The treatments
applied include natural re-growth of the forest fast-growing tree plantation
pine eucalyptus) fruit trees plantation grazing traditional slash-and-burn
agriculture The effects on annual stormflow and on peak discharges were
quantified for the first years after the application of the treatments
Mots clés bassins versants expérimentaux déboisement étude impact
Guyane fran aise forêt amazonienne utilisation du sol régimes hydrolo
giques crues
Key words paired watersheds experimental watersheds land clearing de
forestation hydrological regimes French Guyana Amazonian rainforest gra
zing peak flows
Relations entre occupation des sols
et régimes des eaux de surface
Les eaux des précipitations sont transformées en eaux courantes
par un ensemble complexe appelé bassin versant Selon cette acception
hydrodynamique le bassin versant définit un concept bien plus large
que celui un impluvium topographique est une unité fonctionnelle
trois dimensions composée un domaine souterrain constitué par
les unités géologiques et les différents horizons du sol et un domaine
superficiel et aérien qui est le lieu privilégié de la vie plantes animaux 28 ANNALES DE OGRAPHIE
et hommes Cette surface est généralement occupée par un couvert
végétal naturel ou artificiel dense ou clairsemé ras ou épais et joue
un rôle complexe interface entre le sous-sol et atmosphère
Les différents composants du bassin versant qui viennent être
évoqués re oivent stockent et restituent de eau selon des lois de
fonctionnement qui leur sont propres et la combinaison de ces processus
aboutit transformer eau du ciel discontinue dans le temps et
hétérogène dans espace en eau de rivière est-à-dire en écoule
ments en général perennes dès que la taille du bassin versant est
suffisamment grande
Les caractéristiques des différents éléments du bassin versant ne
sont pas immuables elles se modifient avec le temps mais des
vitesses très différentes selon élément considéré Certains peuvent être
considérés comme pratiquement stables échelle humaine la géologie
le modelé la géométrie du réseau hydrographique la couverture
pédologique autres éléments du paysage sont susceptibles de se
modifier plus rapidement et des changements importants peuvent
affecter de grandes surfaces en quelques années Les changements les
plus spectaculaires sont origine anthropique et sont relatifs aux modes
occupation du sol Ces changements peuvent être dictés par des
finalités agricoles sylvicoles ou pastorales les déboisements et les
reboisements les changements de système de culture les remembre
ments agricoles les travaux anti-érosifs les mises en défens etc. ou
non-agricoles urbanisation ouverture de routes industrie minière
etc. Par ailleurs la couverture végétale présente une variabilité sai
sonnière régulière constituée par la réponse de la végétation alter
nance des saisons chaudes et froides ou sèches et humides Enfin le
couvert végétal peut subir en quelques heures ou quelques jours des
changements aussi rapides que radicaux les incendies de forêt ou la
période des moissons en zones de cerealiculture hautement mécanisée
constituent quelques exemples significatifs de cette dernière catégorie
de perturbations
La quantification précise des effets hydrologiques une modification
de occupation du sol est une question constamment posée ingénieur
ou au chercheur autant que ces impacts concernent non seulement
le régime des eaux mais celui des matières solides associées transports
par suspension provenant de érosion des sols transports dissous
origine organique ou minérale Ces demandes sont apparemment
triviales et leur réponse semble relever de évidence et du simple bon
sens chacun de nous ne garde-t-il pas des réminiscences scolaires
périodiquement ravivées par les médias selon lesquelles la forêt est un
puissant régulateur du cycle hydrologique Il est pas sans intérêt de
constater que ces vérités premières sont le plus souvent invoquées
lorsque la forêt disparu avant il avait moins de crues elles
étaient moins fortes les sources ne tarissaient pas été etc.) DES SOLS ET GIMES HYDROLOGIQUES 29 OCCUPATION
Les choses deviennent beaucoup moins simples dès que on se met
en demeure de quantifier ces effets par exemple comparer les compor
tements hydrologiques une forêt et une prairie recevant les mêmes
précipitations ou déterminer de combien augmenteraient les débits de
pointe si on déboisait 40 de la surface un bassin versant couvert
de forêt
Bien que les études de cas soient aussi nombreuses anciennes
leurs résultats ont parfois été contradictoires tel point que le rôle de
la végétation dans le cycle hydrologique pu constituer un thème de
controverse dans le monde scientifique Les essais de synthèse se sont
avérés ardus et leurs résultats quelque peu décevants Un première
tentative marquante en ce sens Hibbert 1967) faite partir des
résultats de 39 études de cas conclut qu en général le déboisement
augmente écoulement superficiel mais que la réponse au traitement
est très variable et pour essentiel imprévisible Une synthèse plus
complète Bosch et Hewlett 1982 utilisant les résultats collectés sur
94 bassins versants en milieux tempérés et tropicaux qui avaient subi
des modifications partielles ou totales du couvert forestier conclut qu
exception un cas il pas eu expérimentations dans lesquelles
une réduction délibérée du couvert végétal ait provoqué une réduction
de écoulement ni expérimentations où augmentation du taux de
couverture ait provoqué une augmentation de écoulement Tant de
mesures sur le terrain et efforts interprétation pour en arriver
une formulation aussi prudente il de quoi rester perplexe et
encore ces conclusions ne appliquent-elles un seul paramètre
hydrologique écoulement annuel considéré dans sa globalité) sans
apporter information sur la modulation mensuelle de cette valeur
par exemple sur le régime des basses eaux ou sur les pointes de
crues)
Cette difficulté évaluer les relations entre couverture végétale et
régime des eaux de surface pose au moins une question cet embarras
est-il mettre en rapport avec la complexité du phénomène étudié ou
agit-il une difficulté méthodologique pour mettre ces phénomènes
en évidence Pour éclairer ce point la présentation de la panoplie des
méthodes utilisées cet effet constitue un préalable indispensable qui
fait objet du paragraphe suivant
Méthodes pour évaluer les effets de traitements
des bassins versants
Dans la suite on appellera traitement toute modification du
couvert végétal un bassin versant Bien que ce terme connote une 30 ANNALES DE GEOGRAPHIE
action humaine volontaire on utilisera ici par commodité pour qua-
liner toute modification programmée ou accidentelle contrôlée par
homme ou résultant une évolution naturelle de la végétation
Si on appelle les sorties hydrologiques un bassin versant
soit par exemple la chronique des débits les effets hydrologiques un
traitement donné expnment par la différence entre le comportement
hydrologique du bassin versant ayant subi ce traitement et le
comportement aurait eu ce bassin si le traitement avait pas été
appliqué toutes choses étant égales par ailleurs est-à-dire en particulier
dans les mêmes conditions climatiques et pluviométriques
La connaissance de pose peu de problèmes au niveau théorique
Pour connaître Sp il suffit enregistrer les hauteurs eau étalonner
la station hydrométrique et de calculer les débits est donc un pur
problème hydrométrie qui peut avérer délicat résoudre sur certains
sites mais dans les meilleures conditions on peut approcher de
très près et pour fixer les idées il est pas rare avoir une imprécision
sur les débits inférieure
Il en va tout autrement pour So qui est le terme virtuel du tout
se serait passé comme si Sn ne peut donc être que le résultat une
reconstitution et un calcul de fa on plus générale Sn est
prédiction faite par modèle et est la finesse de cette prédiction qui
détermine la consistance des conclusions de étude impact En pratique
il est pas rare que imprécision sur soit si grande que le signe de
la différence -So puisse être incertain au sens statistique on ne sait
pas dire si le traitement augmente ou diminue les débits On con oit
dès lors que aspect scientifique une opération hydrologie expéri
mentale tienne pour la plus grande part dans la manière de calculer
So
2.1 Méthodes non expérimentales
Le bassin considéré subi un traitement mais celui-ci échappe
tout contrôle et ne résulte pas un protocole pré-établi La situation
la plus favorable pour hydrologue est celle où il dispose de données
hydrologiques pluies et débits sur ce bassin collectées pendant une
période initiale de années avec grand si possible) et pendant
laquelle on puisse considérer que utilisation du sol pas varié Tel
est cas des bassins ayant un couvert végétal uniforme et stabilisé
végétation climaciques du type forêts landes steppes etc. Dans
certaines conditions cette situation peut être celle de bassins voués
une agriculture traditionnelle dans une société en équilibre on alors utilisation du sol composite mais stabilisée
Si la suite de cet état Eo en période Pô le bassin subit un
changement brutal incendie de forêt ou progressif changement du
système de culture de utilisation du sol qui détermine un état Ep OCCUPATION DES SOLS ET GIMES HYDROLOGIQUES 31
correspondant une période Pp les effets de ce changement peuvent
dans certaines conditions être mis en évidence en utilisant les données
de pluies de débits recueillis en Pô La méthode consiste caler un
modèle de prédiction des débits partir des pluies avec les données
de la période Pô On peut alors utiliser ce modèle avec les de
pluies de la période Pp ce qui permet de reconstituer le comportement
Sn aurait eu ce bassin pendant la période Pp si le traitement avait
pas été appliqué
La précision de la reconstitution de Sn dépend des performances
du modèle utilisé de la durée de la chronique Pô et de la quantité de
données disponibles pour caler le modèle en particulier des données
de pluie Lorsque ces conditions sont bien satisfaites cette méthode
est sensible et peut donner des résultats tout fait indiscutables Un
cas exemplaire est constitué par les bassins de recherche sur environ
nement du Real Collobrier qui ont bénéficié ce titre un suivi hydro-
climatologique dense et de longue durée En 1990 un des sous bassins
couvert de forêt été détruit par le feu partir du modèle calé sur
la période du bassin en forêt 24 ans de données) il été possible de
reconstituer avec une excellente précision le comportement originel du
bassin et donc évaluer très finement la différence entre ce que on
observait et ce que on avait reconstitué Lavabre et al. 1991 On
con oit aisément que cette méthode soit circonstancielle et elle fasse
rarement objet un choix scientifique et méthodologique préalable
car la durée des chroniques nécessaires pour aboutir un bon calage
est en général hors de proportions avec les délais accordés un
programme de recherche
Une variante de cette méthode qui utilise les données un seul
bassin est généralement appliquée pour évaluer les effets de change
ments évolution lente urbanisation dégradation progressive de en
vironnement sur de grandes surfaces évolution des sociétés agricoles
Dans ce cas on renonce identifier un état de référence Eo et un état
de traitement bien caractérisés Il faut bien évidemment disposer
une longue série de données ce qui permet soit de séparer échan
tillon en plusieurs périodes correspondant des états successifs sup
posés stables soit de faire une analyse de tendance Liebscher 1980
qui consiste mettre en évidence une dérive de certains indicateurs
débit caractéristique de crue ou étiage débits annuels concentration
de matières en suspension ou en solution dérive systématique un
paramètre de calage un modèle pluies-débits Comme dans toute
analyse de longues séries de données il faut avoir assurance que les
protocoles de mesures hydrologiques et analyses de laboratoire soient
restées les mêmes pendant toute la période ce qui est rarement le
cas car on risque de mettre en évidence des ruptures qui relèvent
davantage des procédures de collecte que une dérive réelle du
paramètre considéré 32 ANNALES DE GEOGRAPHIE
Les méthodes un seul bassin trouvent généralement un terrain
application favorable sur des bassins versants observés dans le cadre
de la gestion opérationnelle des réseaux hydrométriques qui seule
permet de disposer de longues séries de données Ces bassins sont
donc assez grands en général de ordre de la centaine de km2 au
moins) et de ce fait les modifications dans utilisation du sol affectent
seulement une partie du bassin et celles-ci ne sont pas forcément très
bien caractérisées la mise en évidence des relations de cause effet
en est que plus ardue
2.2 Méthodes expérimentales
Lorsque les modifications sont contrôlées ou contrôlables la méthode
expérimentale est généralement mise en uvre est-à-dire on procède
un changement forcé des conditions sur le bassin versant application
du traitement et on mesure les nux sortants du bassin versant
ainsi traité avec pour objectif identifier la part de ces flux liée au
traitement
La méthode expérimentale en hydrologie comporte un certain
nombre de contraintes spécifiques
La dimension du bassin versant sur lequel on peut appliquer le
traitement représente la limitation la plus immédiate La maîtrise
foncière et les coûts de mise en uvre du traitement sont des
contraintes qui sauf exception notables limitent utilisation de la
méthode expérimentale des surfaces qui expriment en hectares
exceptionnellement en km2
autres limitations font de la méthode expérimentale en hydro
logie un concept assez éloigné de celui énoncé au siècle dernier par
Claude Bernard car
on ne maîtrise pas les conditions de expérience occurrence
des pluies et leur abondance sont des éléments aléatoires
on ne peut jamais répéter deux fois une les mêmes
conditions pluviométriques et climatiques ne sont jamais repro
duites et il existe pas bassins versants dont les caractéristiques
soient identiques)
La méthode expérimentale utilise les données de plusieurs bassins
observés simultanément Les protocoles se subdivisent en deux grandes
catégories selon il ou non une période initiale de calage ou
étalonnage du dispositif dans un même état utilisation du sol pour
tous les bassins avant application des traitements Cette étape préli
minaire permet apprécier la variabilité entre bassins qui est pas
liée la couverture végétale mais tous les autres facteurs sols
géologie modelé etc.) OCCUPATION DES SOLS ET GIMES HYDROLOGIQUES 33
2.2.1 Méthodes sans période initiale de calage
La méthode sans calage consiste choisir un certain nombre de
traitements ..T et appliquer immédiatement ces traitements
sur bassins versants Si les bassins sont réputés semblables au
plan hydrologique ce on ne pourra jamais vérifier et sont suffisam
ment proches pour que on puisse admettre que les entrées pluvio-
métriques sont identiques sur les deux systèmes les différentes entre
les sorties hydrologiques ... seront imputées aux différences
entre traitements En pratique efficacité de cette approche est forte
ment contrariée par hétérogénéité des processus hydrologiques entre
bassins élément inconnu aucune mesure ne vient éclairer qui se
combine avec les effets des traitements
Pour parer cet inconvénient majeur le palliatif généralement
utilisé consiste répéter plusieurs fois chaque traitement sur plusieurs
bassins en général de fois Un traitement donné se caractérise
alors par une valeur centrale la moyenne et une dispersion Différents
outils statistiques sont utilisés pour vérifier que les effets des traitements
sont ou ne sont pas différents pour un intervalle de confiance donnée
Outre le fait que la méthode analyse puisse paraître une indigence
disproportionnée avec les efforts et les coûts de suivis hydrométriques
assurer sur de nombreux sites et pendant plusieurs années elle
débouche facilement sur indétermination statistique Singh et al. 1974
Heede 1987 Les limites utilisation de la méthode sont par ailleurs
clairement fixées par des paramètres échelle elle est utilisable sur
des parcelles de quelques centaines de Au delà elle devient
inapplicable tant pour des questions de coûts de réalisation des
aménagements que des contraintes de maîtrise foncière Aussi
les conditions habituelles de mise en uvre de la méthode des
répétitions sont celles de petites parcelles expérimentation agrono
mique Elle la faveur de certains commanditaires de la recherche et
opérateurs soucieux afficher leur pragmatisme et leur supposé sens
de efficacité car elle permet de mettre en uvre les traitements dès
le début de opération et imprimer ainsi la marque un activisme
incontestable dans le paysage
2.2.2 Méthodes avec période initiale de calage
Cette méthode est connue sous le nom de méthode des bassins
jumelés ou des bassins appariés paired watershed technique de la
littérature anglo-saxonne Elle se caractérise par une période obser
vation initiale sur ou plusieurs bassins versants dans un rné état
utilisation du sol Au terme de cette période le ou les traitements
sont appliqués sur le ou les bassins expérimentaux tandis que un
des bassins dit bassin témoin conserve la même utilisation du sol