Influence des états de surface sur l`infiltration en
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1. et sur sol humide Pi et d tention superficielle r cup rable Dr ont t quantifi es partir des enregistrements obtenus chacune des averses simul es Une tude des corr lations entre ces diff rentes variables montre que KI N Pi et Pi sont significativement li s V B et P Le coefficient d infiltration KI est aussi significativement li R Il ne faut toutefois pas accorder une grande signification ces coefficients de corr lation car les distributions des variables ne sont pas normales Elles permettent cependant de s lectionner KI comme variable la plus repr sentative de l infiltration Une analyse factorielle des correspondances AFC a t r alis e sur les variables regroup es en classes Cette analyse permet de distinguer deux 101 Influence des tats de surface sur l infiltration groupes de variables tr s coh rents Groupe Il faible infiltration expliqu e par l absence de v g tation de fortes r organisations superficielles une activit faunique nulle et une taille importante des constituants en surface et Groupe 2 infiltration forte expliqu e par une v g tation importante l absence de cro tes et une activit biologique moyenne forte Cette AFC met galement en vidence une opposition entre parcelles de r gion s che pluie moyenne interannuelle lt 850 mm et celles des r gions plus humides Sur les 56 parcelles de la zone s che PAFC confirme l volution para2. sest traduit par de nombreuses tudes effectu es deux niveaux Le premier concerne la mise au point et lutilisation de techniques permettant de quantifier de fa on directe ou indirecte l infiltration diff rentes chelles tudes sur monolithes en laboratoire mesures tensio neutroniques parcelles de ruissellement micro bassins versants etc Cette mesure au champ de infiltration n cessite des exp rimentations nombreuses sur une longue p riode pour tenir compte de la variabilit spatiale de linfiltration et de la variabilit temporelle des pr cipitations particuli rement en zone sah lienne o l irr gularit de la pluviom trie est forte Dans le cadre de nombreux projets de d veloppement il est souvent n cessaire de r pondre tr s rapidement une demande sans avoir la possibilit de mettre en oeuvre des mesures pr cises mais longues D o le second niveau qui vise une estimation rapide de valeurs vraisemblables de l infiltration et du ruissellement partir de crit res repr sentatifs du milieu facilement mesurables 99 Casenave amp C Valentin 100 C est ce second type d approche que se rattachent les r sultats pr sent s dans cet article FACTEURS CONDITIONNELS DU RUISSELLEMENT EN AFRIQUE DE L OUEST M thodologie Depuis le milieu des ann es 70 les hydrologues et p dologues de lORSTOM utilisent pour am liorer leur connaissance de l hydrodynamique des sols des simul
3. Construction et mise au point d un infiltrom tre aspersion Cah ORSTOM s rie Hydrologie XV 4 321 349 Casenave A 1982 Le minisimulateur de pluie Conditions d utilisation et principes de l interpr tation des mesures Cah ORSTOM s rie Hydrologie XIX 4 207 227 Casenave A Guigen N amp Simon J M 1982 Etude des crues d cennales des petits bassins versants forestiers en Afrique tropicale Cah ORSTOM s Hydrologie XIX 4 229 252 Casenave A amp Valentin C 1989 Les Etats de Surface de la Zone Sah lienne Influence sur lInfiltration Edition de PORSTOM collection didactiques Collinet J 1986 Hydrodynamique superficielle de quelques types de sols du Sahel africain comparaison des donn es fournies par deux dimensions de parcelles de simulation de pluie Journ es Hydrologiques de PORSTOM Montpellier Collection ORSTOM Colloques et S minaires 117 153 Forest F 1984 Simulation du Bilan Hydrique des Cultures Pluviales Pr sentation et utilisation du logiciel BIP a St Cl ment la Rivi re Janeau J L amp Bouvier C 1987 La Simulation de Pluie et les Etats de Surface en Milieu Urbain ORSTOM Abidjan Lavelle P 1983 The soil fauna of tropical savannas II The earthworms In Tropical Savannas 485 504 Bourliere edn Elsevier Amsterdam Valentin C 1986 Diff rencier les milieux selon leur aptitude au ruissellement une cartographie adapt e aux besoins hydrologiques Journ es Hyd
4. Soil Water Balance in the Sudano Sahelian Zone Proceedings pol the Niamey Workshop February 1991 LAHS Publ no 199 1 Influence des etats de surface sur Pinfiltration en zone sahelienne A CASENAVE ORSTOM BP 375 Lom Togo C VALENTIN ORSTOM 70 74 Route d Aulnay F 93143 Bondy C dex France R sum DL analyse statistique des r sultats obtenus sur 139 parcelles soumises 860 averses simul es a permis de mettre en vidence et de hi rarchiser linfluence des facteurs condition nels de linfiltration sur une vaste zone g ographique Ainsi est apparu en zone sah lienne le r le pr pond rant des carac t ristiques de la surface du sol sur linfiltrabilit notamment du type de cro te A partir d une typologie morpho g n tique des principales cro tes sah liennes et d autres crit res relatifs l activit faunique la couverture et au travail du sol Casenave amp Valentin 1989 ont propos une typologie des principales surfaces l mentaires caract ris es par un comportement hydro dynamique particulier Une simple description de caract ristiques du milieu permet ainsi de quantifier l infiltration et le ruisselle ment l chelle de la parcelle INTRODUCTION Parmi les termes du bilan hydrique des sols il en est deux d ailleurs compl mentaires l infiltration et le ruissellement qui int ressent particuli re ment les hydrologues et les p dologues de l ORSTOM Cet int r t
5. ateurs de pluie qui permettent de s affranchir des al as des pr cipitations naturelles Apr s avoir utilis un premier appareil d riv du simulateur de type Swanson arrosant deux parcelles de 50 m ils ont mis au point en 1977 un minisimulateur de pluie permettant d tudier des parcelles de 1 m Asseline amp Valentin 1978 La comparaison des r sultats obtenus sur ces parcelles avec ceux des parcelles de 50 m Collinet 1986 ou avec les donn es des bassins repr sentatifs Casenave et al 1982 a montr que malgr la faible surface tudi e l appareil tait fiable sous r serve d une utilisation appropri e Depuis 1980 lORSTOM a largement d velopp cette nouvelle technique mise au point en C te d Ivoire Casenave 1982 dans de nombreux pays d Afrique francophone C te d Ivoire Burkina Faso Niger Togo Cameroun Congo S n gal R sultats Pour chacune des parcelles test es sous pluies simul es 139 un certain nombre de variables caract ristiques du milieu ont t mesur es couvert v g tal V tailles des constituants en surface T microrelief R r organisations superficielles P traces d rosion E activit faunique B fentes en surface F et traces d hydromorphie A Cinq variables repr sentatives de l infiltration Casenave 1982 coefficient d infiltration sur l ensemble du protocole KI intensit limite de ruissellement M pluie d imbibition sur sol sec Pi
6. e et par an ce volume de rejets correspond un volume comparable de pores l int rieur du sol et cette porosit communique avec la surface facilitant ainsi le drainage rapide de l eau De plus et ce n est pas l le moindre des effets du travail de la m sofaune elle d truit au moins localement les cro tes qui s opposent linfiltration La charge grossi re Il s agit des fractions granulom triques de taille sup rieure 2 mm Cette charge grossi re peut tre utilis e comme indicateur de l infiltrabilit parce qu en zone aride et semi aride elle s accompagne le plus souvent d un degr de r organisation maximal Les l ments grossiers sont dans la majeure partie des cas englob s dans une cro te trois microhorizons Type ST3 tr s imperm able 103 sableux MICROHORIZO AFFLEURANT plashique Fig 1 NOMBRE gt 3 Influence des tats de surface sur l infiltration tr s fragile microborizon sable peu tri eur pellicule plasmique microboriroe sable grossier microhorizon sable fin pellicule plasmique noa inclut des pellicules plasmiques oui grossier constituants gt 2 mm fragmentaire alt r e continue fragmentaire squameuse ou prismatique CROUTE DE DESSICCATION A MICROHORIZON STI CROUTE D EROSION ERO CROUTE DE DECANTATION DEC Clef de d termination des principales cro tes sah lienne
7. e reportera au Tableau 2 EXEMPLE D UTILISATION DE LA TYPOLOGIE Calage d un mod le agroclimatologique Pour illustrer cet exemple nous avons choisi le mod le BIP d velopp par PIRAT Forest 1984 et largement utilis en Afrique de l Ouest Ce mod le qui simule le bilan hydrique d une culture pluviale int gre une fonction A Casenave amp C Valentin 106 Tableau 1 Caract ristiques de Vinfiltration pour une surface l mentaire de type ST2 modal Ki Ki Ki I Pi Pi 0 2 i s h 7 mm K mm mm 40 55 60 75 50 65 5 15 10 20 3 6 Ki coefficient d infiltration pour l ensemble du protocole des pluies simul es sur une parcelle Kig P Dion d infiltration pour une pluie de 50 mm et IK 0 Ki coefficient d infiltration pour une pluie de 50 mm et IK 20 I intensit limite de ruissellement Casenave 1982 Pi pluie d imbibition pour un sol sec IK 0 et Pi PA pluie d imbibition pour un sol tr s humect IK gt 80 Tableau 2 Caract ristiques de l infiltration pour une surface l mentaire de type ST2 avec couverture v g tale gt 50 Ki Ki Ki I Pi Pi A mm K mm mm 60 70 80 90 75 85 10 20 20 30 5 10 simple du ruissellement qui est fond e sur deux crit res la texture et la technique culturale En fonction de ces deux crit res lauteur donne des valeurs de la pluie d imbibition et du coefficient de ruissellement qui sont les deux param tres de la fonction d
8. ficielle et une seconde fois avec les valeurs correspondant une surface de type C2 pour un sol argileux Dans le premier cas le coefficient moyen de satisfaction pour la p riode est de 0 63 alors que dans le second il tombe 0 40 CONCLUSION Comme l ont d j montr de nombreuses applications de cette typologie il semble possible en zone sah lienne de pr voir certaines caract ristiques de lhydrodynamique superficielle partir des crit res simples du milieu pris en compte pour l identification des surfaces l mentaires Il convient de signaler que si cette typologie s applique en priorit la zone sah lienne elle semble galement convenir aux milieux anthropis s A Casenave amp C Valentin 108 d autres zones climatiques d s lors que la couverture du sol n est plus assur e les milieux cultiv s de mani re intensive Valentin amp Ruiz Figueroa 1987 et les milieux urbains o l on a mis en vidence une analogie certaine d organisation et de comportement des surfaces avec celles de la zone sah lienne Janeau amp Bouvier 1987 REFERENCES Albergel J R ibstein P amp Valentin C 1986 L infiltration quels facteurs explicatifs Analyse des r sultats acquis sur 48 parcelles soumises des simulations de pluies au Burkina Faso Journ es Hydrologiques de l ORSTOM Montpellier Collection ORSTOM Colloques et S minaires 25 48 Asseline J amp Valentin C 1978
9. ll le des variables KI V B et P mais 38 de ces parcelles ont des valeurs de V B et P tr s voisines alors que KI varie de 4 65 On a ensuite utilis des corr lations multiples pour essayer de pr dire KI en fonction des variables descriptives du milieu Sur l ensemble du fichier quatre variables expliquent significativement KI KI f V R B P R2 0 67 mais la qualit de la pr diction est relativement faible puisque pour 27 des 139 parcelles l erreur absolue sur la valeur de KI est sup rieure 20 Sur le fichier des parcelles de la zone s che les r sultats sont meilleurs puisque trois variables suffisent expliquer significativement KI KI f V B P R 0 84 Avec ce mod le seules deux parcelles ont un coefficient d infiltration pr dit avec une erreur absolue sup rieure 20 L ensemble de ces mesures 860 averses ainsi que les r sultats ant rieurement obtenus en zone foresti re Casenave et al 1982 ont permis de d terminer sur une vaste zone g ographique les facteurs conditionnels de l infiltration et du ruissellement et de hi rarchiser limportance relative de ces diff rents facteurs Valentin 1986 De trop nombreux exemples montrent cependant que l utilisation aveugle de telles formules statistiques n est pas exempte de dangers et qu une approche plus naturaliste de type syst me expert peut constituer un garde fou pr cieux en fournissant un mode d emploi de ces r gressions C est po
10. nfiltration Ces l ments modulateurs ne changent pas la d finition du type de surface mais ont une influence sur les valeurs de l infiltration qui lui sont li es Les grands types de surfaces l mentaires A partir des crit res d identification pr c dents on peut classer toutes les surfaces l mentaires en 11 grands types La clef de d termination en est donn e la Fig 2 A chaque type de surface l mentaire type modal ou variante correspond un fonctionnement hydrologique particulier qui est caract ris par une quation du ruissellement uniquement pour le type modal et les fourchettes des valeurs que peuvent prendre certaines variables de l infiltration Un exemple en est donn ci apr s pour les surfaces de type ST2 cro te structurale deux microhorizons Surface de type structurale 2 ST2 D finition Surface non cultiv e pr sentant moins de 20 de turricules de vers et moins de 40 de charge grossi re couverte d une cro te structurale deux microhorizons sable grossier continu l g rement pris en masse recouvrant une pellicule plasmique Ruissellement Lr 0 85 Pu 0 01 IK 0 003 Pu IK 8 0 o Lr lame ruissel e en mm Pu hauteur de l averse en mm IK indice des pr cipitations ant rieures Casenave 1982 Infiltration Les valeurs caract ristiques de linfiltration pour le type modal sont donn es dans le Tableau 1 Si la couverture v g tale est sup rieure 50 on s
11. que pour une surface de type C2 elle serait de l ordre de 70 De m me pour un sol sablo argileux peu travaill si la valeur de Kr du mod le est compatible avec une surface de type C2 modal elle est surestim e pour une surface de type C1 et fortement sous estim e pour une surface de type C3 qui est relativement courante sur un sol de cette nature Tableau 3 Caract ristiques du ruissellement pour des sols cultiv s Type de surface Variante Kro Krag Pi Pi mm mm C1 modal 10 20 15 25 25 30 5 15 v g tation gt 50 0 10 5 15 30 40 20 30 l ments grossiers gt 40 35 45 45 55 5 15 1 5 C2 modal 20 40 30 50 8 12 2 4 fort a 10 20 10 25 15 25 5 10 argile gt 30 60 75 70 80 8 12 2 4 C3 modal 60 75 70 80 8 15 2 4 fort microrelief 20 40 30 50 20 30 5 10 Kro coefficient de ruissellement pour une pluie de 50 mm et IK 0 Kr g coefficient de ruissellement pour une pluie de 50 mm et IK 20 Il est vident que les performances du mod le qui calcule l vapo transpiration r elle et la compare aux besoins en eau des cultures pour d finir un indice de satisfaction des besoins en eau sont fortement influenc es par les valeurs de Kr et Pi A titre dexemple nous avons utilis ce mod le pour une vari t de mil 90 jours en y introduisant la pluviom trie journali re de Niamey des ann es 1905 1982 une premi re fois avec les valeurs standard du mod le pour un sol argileux travaill de fa on super
12. rologiques de l ORSTOM Montpellier Collection ORSTOM Colloques et S minaires 50 74 Valentin C amp Rui z Figueroa J F 1987 Effects of kinetic energy and water application rate on the development of crusts in a fine sandy loam soil using sprinkling irrigation and rainfall simulation In Micromorphologie des Sols 401 408 AISS AFES Paris
13. s Les l ments modulateurs Pour tenir compte de la diversit des milieux tudi s on a t amen d finir dans certains types de surface des A Casenave amp C Valentin 104 lt 5 CULTURALE 1 5 30 CULTURALE 2 gt 30 CULTURALE 3 gt 30 TERMITES ET VERS gt 20 lt 30 VERS O ar nes DESSICCATION ran S NON yer stagus unes vives STRUCTURALE 2 t QUI os STRUCTURALE 3 cro te lt 140 EROSION lt 20 DECANTATION gt 40 OUI GROSSIERE NON ffleurement de ERPECSE Fig 2 Clef de d termination des types de surfaces l mentaires variantes en fonction d l ments modulateurs qui sont La couverture v g tale Elle intervient en assurant la protection du sol contre les agressions ext rieures pluie vent etc qui sont les principaux agents de formation des cro tes Elle n est prise en compte que lorsqu elle couvre une surface au sol sup rieure 50 105 Influence des tats de surface sur l infiltration Le microrelief Ce sont les petits accidents du terrain d une amplitude comprise entre 5 et 50 cm naturels ou induits par les techniques culturales qui conf rent au sol la rugosit susceptible de diminuer le ruissellement et d augmenter le stockage superficiel de l eau La texture du sol Pour la zone sah lienne seules la texture tr s sableuse taux des sables gt 90 et la texture argileuse taux d argile gt 40 ont une influence sur l i
14. u ruissellement Sol non travaill ou travail superficiel texture sablo argileuse Pi 20 mm Kr 30 texture argileuse Pi 10 mm Kr 40 sol labour texture sablo argileuse Pi 30 mm Kr 10 texture argileuse Pi 20 mm Kr 20 Pour les sols cultiv s Casenave amp Valentin 1989 distinguent trois grands types de surface en fonction de la porosit v siculaire surface de type C1 porosit v siculaire absente ou tr s faible lt 5 surface de type C2 porosit v siculaire peu abondante 5 30 et surface de type C3 porosit v siculaire forte gt 30 Pour chacun de ces types de surface les auteurs fournissent Tableau 3 des valeurs des coefficients de ruissellement ou des pluies d imbibition pour un sol sec Kro et Pi ou tr s humect Kr et Pi Du fait de l impossibilit de tester sur nos parcelles de taille r duite des pratiques culturales tr s fort microrelief ces valeurs correspondent des sols peu travaill s travail plat et dans une moindre mesure billonnage et buttage Elles ne sont donc comparables qu celles donn es par Forest pour les sols non ou 107 Influence des tats de surface sur l infiltration superficiellement travaill s On peut remarquer que ces valeurs sont souvent assez loign es des valeurs originelles du mod le Pour un sol argileux peu travaill la valeur du coefficient de ruissellement utilis e dans le mod le est de 40 alors
15. urquoi Casenave amp Valentin 1989 ont propos une typologie des surfaces l mentaires qui essaye de concilier les deux approches statistique et naturaliste Cette typologie est fond e sur une base exp rimentale et des traitements statistiques mais ses r sultats sont pond r s par des crit res d ordre morphologique LA TYPOLOGIE DES SURFACES ELEMENTAIRES A la base de cette typologie se trouve le concept de surface l mentaire qui d signe un instant donn un ensemble homog ne constitu par le couvert v g tal _ la surface du sol et les organisations p dologiques superficielles qui ont subi des transformations sous l effet des facteurs m t orologiques fauniques ou anthropiques les cro tes A Casenave amp C Valentin 102 Les crit res d identification La typologie des surfaces l mentaires repose sur un certain nombre de crit res caract ristiques du milieu dont l analyse statistique a montr qu ils influen aient de mani re sensible la capacit d infiltration Ces principaux crit res sont les suivants Le type de cro te L tude des processus et l analyse des facteurs de formation des cro tes superficielles associ es la description des microhorizons ont amen Casenave amp Valentin 1989 la d finition d une typologie morpho g n tique des principales cro tes sah liennes Cette typologie synth tis e dans la Fig 1 permet de distinguer neuf types principau
16. x dont la d signation fait r f rence leurs m canismes de formation La nature du milieu naturel ou cultiv Deux facteurs conditionnels importants de l infiltration la couverture v g tale et le microrelief sont consid rablement modifi s par la mise en culture De plus l volution des surfaces est diff rente en milieu naturel o les cro tes une fois form es sont relativement prot g es et en milieu cultiv o les cro tes sont souvent d truites par les travaux culturaux Ceci a amen distinguer ces deux types de milieu La porosit v siculaire Les microhorizons des cro tes sah liennes sont souvent riches en v sicules qui peuvent cr er une tr s forte porosit Celle ci n est cependant pas fonctionnelle les pores ne communiquant pas les uns avec les autres Il s agit pourtant d un indice pr cieux de conditions peu favorables l infiltration Ces v sicules se forment en effet lors de l humectation lorsque lair du sol ne peut s chapper dans aucune direction du fait d une forte imperm abilit du milieu L analyse statistique a mis en vidence une tr s bonne relation entre l abondance de ces pores et l aptitude au ruissellement Albergel ef al 1985 L activit faunique Elle a une influence directe sur l infiltration par la porosit qu elle g n re Lavelle 1983 par exemple a montr qu Lamto C te d Ivoire les vers rejettent 30 40 m de terre en surface par hectar
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