Recherche d'une relation empirique entre apports...

Challenges in African Hydrology and Water Resources (Proceedings of the Harare Symposium, July 1984). 1AHS Publ. no. 144.

Recherche d'une relation empirique entre apports solides spécifiques et paramètres physico-climatiques des bassins: application au cas algérien

ABDELMADJID DEMMAK Institut National des Ressources Hydrauliques, Ministère d'Hydraulique, Clairbois-Birmandreis, Alger, Algérie

RESUME Un nombre important de données sur les transports solides en suspension des cours d'eau algériens ont été accumulées durant la décennie 1970-1980 et ont permis d'entreprendre une étude générale sur l'érosion, les écoulements solides et l'envasement des barrages. L'objectif de cette étude est d'améliorer la compréhension du phénomène de l'érosion et des transports solides sous climat méditerranéen et semi-aride et mettre au point des outils simples et pratiques permettant l'élaboration des données nécessaires à la planification, l'aménagement et la gestion des ressources hydrauliques. L'étude d'un cas particulier a permis de mettre en évidence l'intérêt: d'aborder le problème à l'échelle de l'événement; d'étudier séparément les variables "concentration en matières solides en suspension" et "ruissellement liquide"; d'associer une étude cartographique des formes d'érosion et des facteurs géomorphologiques à l'analyse hydrologique. On démontre: qu'il existe une corrélation entre la lithologie et les formes d'érosion; qu'à chaque forme d'érosion peut être associée une concentration moyenne des charges en suspension; que les apports solides ont lieu essentiellement au printemps lors des crues généralisées sur sol saturé, la contribution des crues d'automne, dues à des précipitations intenses et localisées étant négligeable; qu'une étude factorielle séparée du ruissellement et de la turbidité améliore la compréhension des phénomènes et permet l'élaboration d'un outil efficace de prévision des apports solides. La généralisation de ces résultats aux données de débits solides recueillies sur 30 bassins étudiés en Algérie septentrionale a servi de base pour la recherche de relations empiriques entre apports solides spécifiques et paramètres physicoclimatiques des bassins.

Development of an empirical relationship between specific sediment discharge and catchment physico-climatic parameters: an Algerian case study ABSTRACT A large amount of data on suspended solids transport in Algerian rivers has been gathered during the decade 1970-1980. This has enabled a general study of erosion, sediment transport and silting of dams to be

403

404 Abdelmadjid Demmak

carried out. The object of this study is to improve understanding of erosion and sediment transport phenomena in a Mediterranean semiarid climate, and to develop simple and practical methods for the data analysis necessary for planning, construction and management of water resources. This case study has demonstrated the need to approach the problem at the level of individual flood events; to study the variables of suspended solids concentration and streamflow separately; and to relate a map of erosion forms and geomorphological factors to the hydrological analysis. The study also shows the following. Firstly, that a correlation exists between lithology and erosion forms. Secondly, that an average suspended solids content can be related to individual erosion forms. Thirdly, that sediment transport primarily takes place in spring during floods which originate from the whole, saturated, basin; the contribution from autumnal localized storm floods being negligible. Fourthly, that a separate study of the factors affecting runoff and sediment concentration helps to improve understanding of the phenomena and permits the development of a method for estimating solids transport. The application of the results to solids transport data from 30 drainage basins in northern Algeria has been used as a basis for obtaining empirical relations between specific sediment discharge and catchment physico-climatic parameters.

INTRODUCTION

En Algérie septentrionale, les conditions physiques, géomorphologiques, hydroclimatiques et socio-économiques sont particulièrement favorables au déclenchement et l'accélération du phénomène de l'érosion et des transports solides. On estime à 120 millions de tonnes la quantité moyenne de sédiments rejetés en mer chaque année par les bassins tributaires de la Méditerranée. Une des conséquences graves de ce phénomène est l'envasement des retenues de barrages. L'infrastructure hydraulique algérienne est amputée annuellement d'un potentiel de réserve en eau équivalent à 20 millions de m du fait de l'envasement des retenues.

Un nombre important de données sur les transports solides en suspension des cours d'eau ont été accumulées durant l'année 1970-1980 et ont permis d'entreprendre une étude générale dont l'objectif est:

(a) d'améliorer la compréhension des mécanismes de l'érosion et des transports solides en zone méditerranéenne et semi-aride;

(b) de mettre au point un outil pratique de prévisions des apports solides spécifiques moyens annuels.

MISE EN FORME DES DONNEES DE BASE

Trente bassins versants représentatifs des grandes régions géographiques et climatiques de l'Algérie septentrionale et comportant des mesures de débits solides de bonne qualité ont été sélectionnés. Le calcul des débits solides journaliers, mensuels et annuels sont

Apports

solides et

paramètres

physico-climatiques

405

Ul

5-Ul

Q:

co

hi -^

13

i-

5 £

S °

o S o

Ul

~l Q

/ \ JAUGEAGES

U

(U

•H

0J G

M

3 O

•i-i

R

0) 31

§

ti •H

M

O

w

+J

•H

XI) q

3

H 3 O

H


effectué pour une station hydrométrique donnée suivant le processus indiqué sur la Fig.l. Le dépouillement des données hydroclimatolo-giques et physiographiques des bassins sélectionnés (Tableau 1) a permis de constituer un échantillon exhaustif pouvant servir de base à une étude factorlelle des débits solides.

L'objectif préliminaire étant: (a) De mettre en évidence les principaux facteurs qui

conditionnent la genèse et le caractère des écoulements solides. (b) De définir des indices susceptibles de traduire au mieux la

variabilité et de degré d'influence de ces facteurs. Les premiers essais effectués en se basant sur une analyse en régression multiple mettent en évidence une forte auto-corrélation entre variables géomorphologiques, climatiques et hydrologiques.

ETUDE D'UN CAS PARTICULIER: LE BASSIN DE L'OUED ALLALAH A SIDI AKACHA

Une étude approfondie d'un cas particulier nous a paru nécessaire pour une meilleure compréhension des processus mis en jeu. Le bassin versant de l'Oued Allalah à Sidi Akacha a été choisi pour sa représentativité, son homogénéité et la qualité des données qui y ont été recueillies. Un échantillon représentatif des différentes conditions d'écoulement a pu être constitué et a permis de mettre en évidence l'intérêt:

(a) d'aborder le problème a l'échelle de la crue; (b) d'associer une étude cartographique des facteurs géomorpholo

giques et des formes d'érosion à l'analyse hydrologique ; (c) de séparer les variables mises en jeu. Un débit solide spécifique étant le produit d'une concentration

par une lame ruisselée, notre hypothèse de travail a été de considérer séparément ces deux facteurs.

L'étude cartographique des facteurs géomorphologiques (lithologie, pente, couvert végétal) montre que la lithologie résume et explique les autres caractères géomorphologiques du bassin. Aux formations lithologiques les plus résistantes (grès, calcaires) correspondent les pentes les plus fortes et les couverts végétaux les plus denses. Par contre sur les terrains marneux et argileux, peu résistants, le couvert végétal est pratiquement inexistant, les pentes sont faibles et l'activité humaine plus dense. L'érosion d'origine anthropique (surexploitation des terres, infrastructure routière) vient alors se superposer au processus naturel et accélérer le phénomène. On voit apparaître une corrélation non négligeable entre les processus d'érosion et la lithologie: les terrains à prédominance argileuse sur lesquels se développent des vertlsols profonds sont le domaine de prédilection des mouvements de masse. Par contre l'érosion par entailles linéaires qui se termine souvent par des ravines hiérarchisées et des badlands apparait sur terrain marneux.

L'analyse hydrologique de l'échantillon des crues sélectionnées met en évidence l'intérêt de séparer les crues suivant deux familles:

(a) crues localisées d'automne (Fig.2); (b) crues généralisées de printemps (Fig.3).

La recherche de relations entre précipitation, ruissellement et transports solides en considérant séparément la variable

«

0) M

tj u

vu

w _ fc

n

•M

fcn

O

O

•H

•~

t O

ÎH

3l

+J

<U

n Q)

3

tu •H

a, <o M

(3

1

o

-H

W

En

-a w 3 •H

-U

•H

XD

+

J

O

<o

u

i E

iL

_!-j-

L

.!_

_

„ *

-

-i„

« .

< „

-

. -

«k

-

. -

I.k

-

. ..

I §

1 =

_!_

!_!_

;*!s' s'

H

ï ;

e I

E '

:' I

= =

K'

* %

i\ï\ï

~~

î

| _

__

__

_J

; ;

, |

1

• I

! ;

ï i

s -

S '.i'.i

VV

=

^j

'. ^

S

-i" "- '.!"

. -. '.I': "- "- =

:=-;=

. l\'.'•'.-.

'. \'.

S

'* =

c|

ci g

"k

e °

!'|C

°i °

= ;^

° "

''" '.

C

°°

IT

;T

[T

°

,c

°

=

TT

.,«

.=;-,=

-

!.

..

* c=

!.|-!..'«

-. <\

= -,r-

«;*

. ^

.^

T^

T"

—

Ï . - s

s ; ;, s ; s : ^

s| s s

Ï ^ ; ; i î ; =

s

s s

s" £ s ! s

s ; g ;

- i s sis

c

§5

_l751«. vv

-. 'I— =. =. *. -. -• *>. —

'^ ^

=.k •=. ^

v

.k -.-.

5 ;

si ; ;

i i

£ £

£

i i

i i

•=' s £

i

s £

£ £

-" £

s

s ~'J _

~ £

i

li-'-i-rr —

—

— - - - -

r r

~ — ^

-r

r -

T

f --.i ~

! - «

-c

l- - „

k' .

' _' «

- —

i - - i -

~: =

!_ *

_

i«

= )*;*, ^

o

= ;.,

= s

=1 =; =

!I =

s' s 5

s

s £

s

= S

5 ^

|5

I s' S

S s"| =

s =

|£!Ï"

S =

|S

._ _

_

. ^

__

,

~

v~ .

ir. : C-

. L

.-. )-

^

ir. J

rv

_

^

u-

<v

^

J

O

_

i*

_

- -.-

r. •

r C

t"

^

: C

O

- e-

_

«e

£<

•;

«-

. r- |

*~i --

K\

KI «

i -J

u-- N

I fi

«.•

"•• J o

u-

fï ift

ift m

N

j

" C

a

_

i -c ,

- -

v. |

T%

K 3 |j§

; s |

s:

s s I;l

s |

s s

's iiE

I

s s

s| Ï

! |

Sil ! |

i';

!

I l

--

il

\l

i!S

! =

s

s ~

S s

~ s

:l

s;

sl

£l^

s

|l I

I s

igjlis

ri I

K

= =

:

'. i

i i

i !

-: "

j

| ;—

T——

r—|—

:—'—

' 1—

:—'—

:—i

j—;—

;—:—

I -

•". i si s ' si s : s

sic

g

g

s e

s s

?

% s

s 5

e i c s

s s

g • g • ? ; s: g

ks

s-

c

- 3

' t-i

r^

,^

.]

^ t»

. i rv

es,

*

<:

es

te

<:

s to

rv

f̂

K

I *

rv

~

r-

- *.- .

^.

-c ,

iv

rv

^r

u^

r

£

=

"M

'

i !

| i

! -

" '

-!-;-; '

j - .

I

B3

S!S

|=!S

!R

!•!= I

s =

s i

s s

! s

SJR

JSI?

I =

1 I

î\l\ï s

M

ï -

:f

:; Ï! Ï

s s- s

£ s

i i

t "' £

s s

i ;

I; Ï

S S* |S

S

i-i\~

;

\£ £

„ v

-, : -, ~ s

s s

= Ï

s -_

s £

" s

: g

s ;

s ^ z

Ï S

|S g

;;; ^

K

:

__

__

__

, .

_-,

, _

_

! "̂

:Ï i Si E

s

g^

g s

;;

gr

=

s

" ^

i

s-

S

ï ;

* I

i g

;E

Ï '

M

_-

.—

, ,

1—

j 1

,—

. j

—,

—.

—j

=î

i S

S

i 5

S

£ =

= S

S 5

2 i

= =

5 i

S 2

5

t S

i g

„ =

! t =

1^" ,V

| | L

ml , \\J ,J

' '_• .1

j -;

_ s

s i

_ :

=g

s.

: i

s

^

a

»s

u

! «

hn

îihS

ïMs

Miîiis

Hiî.iih

—.S

SII

---S5

-J lj-

lp5

M5

=ip

S5

^iii

i h

,ii „

h! s

Mlis

h.

il s IH

! 111 h

S

ë^

gî

g^

gS

S 5

"

h

_ j 5 _

_

ëS

S

g. g ^

,=.S

5 ^

5|-

S S

,

5 5

5

S

5 S

Ê

IS'Ô

S

|g 5

ô

lslô 5

>

5 5

S

?

5 S

S 5

5

S

S

; s

= s

s 5

3

S

5 5

: =

S =

S :

: S

S

S ? :

£ =

= s

È

5 S

È

. 5 5

- -

5 s

- s

s -

s s

g s

g s

;- ;

; s

s =

g

g

.

s s

s g

T1

1?

Ig

= ! =

!.. _il _

= I

I I

: g

ï

«

i:

:s

I f d . S

„

g ï «

: i

= =

= s

r s

=

= :

= =

:

»

s z% s

:

: s s î •

s t

* -

: s s

s =1

,

I s.s

g

1 1

i

1

-p

j

g|d

|5

|3

ig

;


16 MM

10 12 14 10 18 20 22 0 17/10/78 '

FIG.2 Crue caractéristique d'automne.

concentration moyenne et la variable liquide montre que la concentration moyenne d'une crue est un paramètre peu variable, indépendant de la précipitation génératrice, tendant vers une valeur limite lors des ruissellements généralisées (Fig.4). Cette valeur apparait comme une constante physique du bassin versant.

Pour les crues localisées, l'examen simultané des couples hydrogramme-turbidigramme, montre une liaison entre caractéristiques

Apports solides et paramètres physico-climatiques 409

"Ttm ' 3H

2ZJM U _J i

nrflt-B Q g D 3 _ A S O U Fl H A S S E J V

L _

o

FIG.3 Crue caractéristique de printemps

des hydro gramme s et origine du ruissellement. Une quantification des formes d'érosion est proposée sur la base de cette constatation. On montre que les eaux de ruissellement provenant des "badlands"

410 Âbdelmadjid Demmak

C ( g / l )

.Crues localisées sur la zone des b a d - l a n d s

( B O U H a l ! o u - B e n Ali ) ( g r o u p e 1)

Crues généra l i sées

N^©-

, 8 0 % des a p p o r r s

I . I Crues localisées sur la zone des i^p;3 ' l ^ - ' ^ 'mouvem. ' - n f s de masse

j I ( A l l a l a h a m o n f )

fr G r o u p e 2 : C rues de p n n f e m p s généralisées

{ fu rb id i fé c o n s t a n t e - écou lemen t solides impor lan fs )

I 3i©®2 I

©©12 I 23 M ° " I ©13 © 19© I

1» O. I

I I

l | se

10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 S C L R ( m m )

FIG.4 Relation lame ruisselée/concentration moyenne a 1'échelle de la crue.

et "ravines hiérarchisées" sur marnes miocène sont chargées à 150 g 1~ et que la zone des "mouvements de masse" sur argiles helvétiennes fournit en moyenne 70 g 1~ . Une étude sur les apports solides respectifs des crues de printemps et d'automne nous amène à démontrer que la majorité (80%) des apports sont dus aux crues généralisées de printemps (crues de saturation) et que la contribution des crues d'automne est négligeable (Fig.5). Celles-ci contribuent en fait à approvisionner en charge solide les futures crues de printemps. L'étude statistique des relations précipitation-ruissellement met en évidence une corrélation étroite entre lame précipitée et lame ruisselée pour les crues généralisées de printemps (Fig.6).

GENERALISATION (MISE AU POINT D'UNE RELATION ENTRE APPORTS SOLIDES ET PARAMETRES PHYSICO-CLIMATIQUES DES BASSINS)

Une analyse hydrologique détaillée , combinée à une étude cartographique des facteurs géomorphologiques et des formes d'érosion nous a permis d'améliorer la compréhension du phénomène de l'érosion et des transports solides à l'échelle du bassin versant et de mettre en évidence les principaux facteurs mis en jeu. Il ressort de cette première analyse que le facteur érodibilité du milieu est lié essentiellement à la constitution lithologique des bassins versants, tandis que l'agent causal principal est l'énergie du ruissellement.

L'extrapolation de ces résultats aux 30 bassins versants étudiés


a été entreprise de la manière suivante: (a) Détermination d'un indice d'érodibilité basée sur une

cartographie lithologique, de planimétrage , le calcul du pourcentage des formations marneuses et argileuses du crétacé supérieur et du tertiaire.

(b) Détermination d'un indice "énergie du ruissellement" basé sur la corrélation étroite qui existe lors des crues généralisées entre ruissellement et précipitations et calculé à partir des précipitations journalières supérieurs à un seuil donné. Une analyse de régression entre transports solides spécifiques et ces deux indices donne des résultats satisfaisants.

\ Apporte solides des crues \ en % des apporfs totaux

N W

Apports solides totaux

Apports solides des crues généralisées

100 200 300 400 Q5(m5s)

FIG.5 Contribution des crues supérieures a un seuil donné aux apports solides moyens annuels (période 72/73-79/80).

Une deuxième analyse par régression effectuée en prenant comme variable à expliquer les "résidus" de la régression initiale font apparaître l'influence de 1'-indice géomorphologique "le coefficient de torx-entiallté" qui traduit l'intensité de chevelu hydrographique et donne par conséquent une image réelle de la dissection des bassins.

L'introduction de ce paramètre dans la régression initiale améliore


LR n (mm)

-*.Crues généralisées ( prmfernpM

Crues localisées (aufomne)

© Crues d'automne localisées x crues de printempsgénéralisées

°o8 ^ i 50 100 150 IP(mm)

FIG.6 Correlation lame précipitée lame ruisselée à 1'échelle de la crue.

les résultats. Le Tableau 2 et la Fig.7 donnent les principaux résultats de cette analyse en regression en mettant en évidence la signification statistique des résultats (tests d'ajustement graphique, test de Student, test d'ajustement de Fisher-Snedecor).

CONCLUSION

La lithologie, la fréquence des précipitations supérieurs à un seuil donné, la densité du reseau hydrographique semblent être les


TABLEAU 2 Regression multiple TSS = f (IL IP CT)

VARIABLE 1

VARIABLE 2

VARIABLE 3

VARIABLE DEPENDANTE :

INDICE LITHOLOGIQUE

INDICF ENERGiE

COEFFICIENT DE

TRANSPORT SOLIDE

RUISSELLEMENT

TORRENTIALITE

SPECIFIQUE

COEFFICIENTS DE CORRELATION SIMPLE

1.00 049 1.00 0.25 0.24 1.00 0.76 0.81 0.42 1.00

PALIER NUMERO 1

ECART^TYPE RESIDUEL COEFFICIENT DE CORRELATION MULTIPLE TEST GLOBAL D AJUSTEMENT F ( 1 28 TERME CONSTANT = 151 VAR COEFF

2 7.5281

PALIER NUMERO 2

ECART-TYPE RESIDUEL

.4953 ECART-TYPE

1.0452

COEFFICIENT DE CORRELATION MULTIPLE TEST GLOBAL D AJUSTEMENT F ( 2 27 TERME CONSTANT = -413.1046 VAR COEFF

1 28.4278 2 5.3265

PALIER NUMERO 3

ECART-TYPE RESIDUEL

ECART-TYPE 5.4867 08652

COEFFICIENT DE CORRELATION MULTIPLE TEST GLOBAL D AJUSTEMENT F { 3 26 TERME CONSTANT = 593.5607 VAR COEFF

1 26.6180 2 5 .0746 3 9.7724

ECART TYPE 5.1812 0.8149 4.3572

VARIABLE

671 .964 0.806

) = 51.88

T STUDENT 7,2026

VARIABLE

484.564 0 908

) = 63.30

T STUDENT 5.1813 6.1561

VARIABLE

452.003 0.923

) = 50.18

T STUDENT 5.1374 6 .2275 2 .2428

INTRODUITE

BETA 0.859

INTRODUITE

BETA 0.4799 0.5702

INTRODUITE

BETA 0.4494 0.5432 0.1760

IL

IP

CT

TSS

2

1

3

fac teu i r s p r inc ipaux de 1 ' é ros ion e t des t r a n s p o r t s s o l i d e s à l ' é c h e l l e du b a s s i n versant . Une ana lyse par r ég re s s ions mul t ip l e s appl iquée aux données de 30 b a s s i n s v e r s a n t s d 'A lgé r i e nous a conduit à une r e l a t i o n empirique de l a forme:

TSS (t km2an - 1) = 26.62 IL + 5.07 Ip + 9.77 CT 593.56

2 - 1 . avec TSS = t r a n s p o r t s o l i d e spéc i f i que moyen annue l , exprimé en t km^an IL = i n d i c e l i t h o l o g i q u e = s u p e r f i c i e des formations marneuses e t a r g i l e u s e s du c r é t a c é supé r i eu r e t du t e r t i a i r e exprimée en pourc e n t a g e de la s u p e r f i c i e t o t a l e du b a s s i n ;


Ip = indice d'énergie du ruissellement = produit du pourcentage et de la fréquence des précipitations annuels tombées sous forme de pluie supérieures à 20 mm;

In terval les de confiance a flO'^

4. Cor re la t ion TS5 =

& C o r r e l a t i o n TSS =

R- 0,923

f ( I L )

F ( I L , IP ,CT)

leurs observées (T/KmVan)

3000,0

FIG.7 Test d'ajustement de la regression: correlation entre valeurs observées et valeurs simulées par la regression.

CT = coefficient de torrentialité = densité de drainage X fréquence des thalwegs élémentaires.

Basé sur des variables faciles à calculer et disponibles sur l'ensemble du territoire, la relation proposée permet de simuler correctement les transports solides spécifiques moyens annuels supérieurs à 500t km- an- a l'exutoire du bassin de superficie variant de 100 à 3000 km . Elle présente un intérêt pour les études d'aménagements hydrauliques et d'infrastructures. Son domaine d'application reste cependant limitée aux bassins comportant un pourcentage de formations érodibles supérieur à 10% et une pluviométrie moyenne annuelle supérieure à 300 mm.

Recherche d'une relation empirique entre apports...

Documents

Transcript of Recherche d'une relation empirique entre apports...