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Analyse du ravinement de bassins versants à retenues collinaires sur sols à fortes dynamiques structurales (Tunisie)

Gully process analysis in catchments with hill reservoirs on high structural dynamic soils (Tunisia)
Jean Collinet et Patrick Zante
p. 61-74

Résumés

La production et le transfert de sédiments de deux petits bassins versants inscrits dans des marnes et alimentant des retenues collinaires en Tunisie semi-aride ont été étudiés entre 1999 et 2003. Le risque de comblement des retenues est surtout lié au ravinement qui mobilise sur les versants dix à cinquante fois plus de terres que l'érosion aréolaire. L'incision des ravins est évaluée par la comparaison diachronique de levés topographiques. Des modèles numériques de terrain sont ensuite construits pour établir les bilans volumiques des terres érodées ou déposées dans le ravin. Le ravinement varie fortement selon les intensités des précipitations et le type d'occupation des sols des impluviums. Au cours des quatre années de l'étude, le ravinement a fourni entre 15 et 65 m3/ha/an de terre aux retenues.

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Texte intégral

Introduction

1De nombreuses retenues collinaires ont été construites dans les régions semi-arides. En domaine méditerranéen, l'eau collectée sur les versants est stockée dans des lacs pour l'irrigation ou infiltrée pour une recharge de nappes superficielles alimentant les exhaures de l'aval (Nasri, 1999). Les produits de l'érosion par ravinement des bassins versants est la cause principale des comblements plus ou moins rapides de ces retenues (Poesen et al., 2003). Ce ravinement est particulièrement préoccupant sur les sols formés aux dépens des affleurements de marnes et argilites fort étendus en de nombreux pays autour de la Méditerranée (Poesen et Hooke, 1997). Si les stockages au moyen de retenues peuvent encore se développer dans les pays les moins sensibles aux pénuries en eau, les sites de construction de barrages se raréfient dans les pays du pourtour méditerranéen ; or les ressources hydriques superficielles et souterraines renouvelables ou fossiles sont insuffisantes pour répondre à une demande en eau de plus en plus importante. Le tableau 1 résume les évaluations des pertes de la capacité par sédimentation de quelques retenues de ces pays. Au Maroc, les 38.106 m3 d'eau perdus annuellement par sédimentation dans les barrages équivalent à la disparition annuelle de quelque 7000 ha de terres irriguées (Margat, 2002 ; Dunglas, 2002). Des pondérations calculées à partir de régions présentant des climats analogues et des cultures voisines estiment les pertes en terres à 2750 ha/an en Algérie et à 5150 ha/an en Tunisie. Ces données sont des moyennes qui donnent une fausse idée de la vulnérabilité des plus petits ouvrages. En Tunisie, on admet que la construction de retenues de 100000 à 500000 m3 de capacité et collectant les eaux de bassins versants de 2 à 10 km2 est rentable si l'on est assuré d'une durée de vie minimale de 25 à 30 ans. Le problème se pose donc pour les bassins versants fortement soumis à l'érosion qui fournissent une grande quantité de matériaux, pouvant diminuer cette durée de vie. En zone méditerranéenne, il s'agit très souvent de bassins dont les sols, formés sur marnes et argilites (Vogt et Paschen, 1996), subissent une forte érosion lors de la conjonction entre des pluies de forte intensité et une période de grande vulnérabilité des terres cultivées. Les calendriers culturaux permettent de repérer facilement ces périodes de vulnérabilité liées à une moindre protection des terres. Il en va autrement pour les risques liés à la pluviométrie à cause de sa grande variabilité inter-annuelle.

Tableau 1 – Pertes de capacité des barrages dans le domaine méditerranéen, d'après J. Margat (2002) et J. Dunglas (2002).
Table 1 – Storage capacity losses for dammed reservoirs in the Mediterranean area, after J. Margat (2002) and J. Dunglas (2002).

Tableau 1 – Pertes de capacité des barrages dans le domaine méditerranéen, d'après J. Margat (2002) et J. Dunglas (2002). Table 1 – Storage capacity losses for dammed reservoirs in the Mediterranean area, after J. Margat (2002) and J. Dunglas (2002).

2Généralement, dans les pertes en terre d'un bassin, la part prise par la seule érosion aréolaire reste à un niveau modeste, n'excédant pas les 15 t/ha/an pour ses formes les plus sévères sur des matériaux très peu cohérents (Hamed. et al., 2002). Le ruissellement concentré et le ravinement qu'il engendre sont à l'origine de dégâts dix à cinquante fois plus importants. Ces valeurs sont le plus fréquemment citées autour de la Méditerranée (tab. 2). G. Verstraeten et al. (2003) montrent en outre que la topographie (pente), la couverture végétale, la forme du bassin versant, la lithologie et la présence de ravins à proximité du réservoir collinaire sont les principaux facteurs qui contrôlent l'érosion spécifique annuelle pour soixante bassins versants étudiés en Espagne.

Tableau 2 – Estimation de l'érosion dans des ravins en milieu méditerranéen.
Table 2 – Estimate of gully erosion in the Mediterranean area.

Tableau 2 – Estimation de l'érosion dans des ravins en milieu méditerranéen.Table 2 – Estimate of gully erosion in the Mediterranean area.

3En Tunisie, l'érosion aréolaire a souvent été calculée à l'aide des modèles statistiques (USLE, RUSLE) ou encore elle a été mesurée sur des parcelles expérimentales. Les seules évaluations du ravinement sont dues à F. M. Sfar et al. (1999) qui, procédant à une analyse diachronique de photographies aériennes, ont constaté que sur des bassins de 50 à 500 ha, la densité des réseaux de ravins atteignait actuellement 40 à 150 m/ha et qu'elle avait parfois doublé en 27 ans. En outre, ces auteurs ont noté que plus de 50000 km2, soit 31 % du territoire tunisien, sont menacés ou déjà dégradés par l'érosion linéaire.

4Cet article présente l'érosion d'origine linéaire mesurée sur deux sites localisés dans des bassins versants collectant les eaux de retenues collinaires à forte sédimentation. Il vise aussi à identifier les indicateurs des comportements hydrodynamiques et érosifs pouvant permettre une modélisation du ravinement.

Les sites

5Deux sites ont été retenus dans les bassins versants de Kamech dans la péninsule du Cap Bon et de Fidh-Ali dans le centre de la dorsale tunisienne (fig. 1). Ils se différencient par l'agressivité des pluies, par leurs modelés et, dans une moindre mesure, par leurs roches-mères. On peut donc supposer que cette comparaison fournira des informations permettant de confirmer ou d'infirmer la pertinence d'indicateurs comportementaux.

Fig. 1 – Localisation et topographie des sites étudiés. A : le ravin Kamech 2F ; B : le ravin Kamech 7B ; C : le ravin Fidh-Ali A.
Fig. 1 – Location of studied sites. A : the Kamech 2F gully ; B : the Kamech 7B gully ; C : the Fidh-Ali A gully.

Fig. 1 – Localisation et topographie des sites étudiés. A : le ravin Kamech 2F ; B : le ravin Kamech 7B ; C : le ravin Fidh-Ali A.Fig. 1 – Location of studied sites. A : the Kamech 2F gully ; B : the Kamech 7B gully ; C : the Fidh-Ali A gully.

6Le bassin versant de Kamech (245 ha) s'inscrit dans une surface d'aplanissement recoupant un anticlinal gréseux et marneux du Miocène moyen qui forme l'axe de la péninsule du Cap Bon. Ce bassin présente une nette dissymétrie entre un versant sud-ouest où des cuestas de grès bloquent plus ou moins les écoulements et un versant nord-est en revers de côte, abondamment raviné sur des pentes supérieures à 15 %. Ce bassin est cultivé à 75 %, les plus fortes pentes étant réservées aux pâturages, les plus faibles supportant des cultures de céréales, de légumineuses et du maraîchage. Avec 500 à 1000 mm de pluies annuelles (Gounot et Le Houerou, 1967), Kamech est situé en limite des bioclimats méditerranéens sub-humides inférieurs et semi-arides supérieurs.

7En position plus centrale au sein de la dorsale tunisienne, le bassin de Fidh-Ali (212 ha) occupe la voûte érodée d'un anticlinal, constitué de calcaires à lumachelles d'âge tertiaire, surmontant des argilites gypseuses avec de minces bancs de calcaires gréseux intercalés. Les lumachelles forment les Jebels limitant le bassin versant au nord-ouest. Les argilites (et les calcaires gréseux) sont taillés par un glacis de 1000 m de longueur ; elles présentent des formes de ravinement qui prennent naissance sur des pentes supérieures à 7 %. Cette région, occupée par une céréaliculture peu productive, se trouve à la limite des climats semi-aride inférieur et aride supérieur. Elle reçoit 210 mm de précipitations en année sèche et jusqu'à 570 mm de pluies annuelles en année humide.

8Dans les deux bassins, la différenciation des sols dépend d'abord de la lithologie ; elle aboutit à des pélosols et brunisols plus ou moins gypsiques, argileux à argilo-limoneux fins, sur les marnes et les argilites, et à des lithosols et calcosols sablo-limoneux lorsque les calcaires, les calcaires gréseux ou les grès calcaires dominent. La forte teneur en limons fins atteste d'un rajeunissement quasi continu de ces matériaux par l'érosion. Sur les deux bassins, les teneurs en composés humiques restent faibles (< 1 %), ce qui résulte d'une faible production de biomasse, de sa consommation par le bétail et d'une minéralisation des composés organiques largement supérieure, sous ces climats, à leur humification. La structuration du sol dépend donc quasi exclusivement des colloïdes minéraux, ce que prouve une dynamique structurale saisonnière forte, liée aux smectites et illites issues de l'altération des roches. Cette dynamique structurale est à l'origine d'une forte et profonde fissuration estivale ; des mesures effectuées à Kamech montrent que ce volume fissural peut retenir entre 50 et 100 mm des premières pluies automnales avant la fermeture des fentes. Enfin, en profondeur, la dissolution du gypse, étudiée par V. M. Reyes (1999) à Fidh-Ali, est à l'origine d'effondrements structuraux puis du piping préparant le ravinement.

Méthode et outils

9Le ravinement doit être étudié sur une maille paysagère contenant tous les segments ayant une influence sur le système des ravines et pouvant en expliquer le fonctionnement. On considère ainsi que les dynamiques hydriques et érosives des impluviums à l'amont et des ravins à l'aval sont liées par des relations fonctionnelles. Des études expérimentales menées sur les impluviums, à Kamech et à Fidh-Ali, à l'aide de la simulation de pluies permettent une prévision des périodicités, des intensités du ruissellement et des charges solides qu'il entraîne lorsqu'il se produit dans les champs cultivés ou les jachères à l'amont. Ces informations sont obtenues en confrontant les données expérimentales et la pluviométrie naturelle comme cela est indiqué dans l'organigramme du modèle MOBIL (fig. 2) mis au point sur d'autres terroirs de la dorsale centro-tunisienne. Différentes parcelles sont installées sur un échantillonnage représentatif de l'utilisation des terres, des formations végétales et des états structuraux des surfaces. Des averses sont simulées sur ces parcelles en tenant compte des érosivités et de la fréquence des pluies de la zone étudiée. L'érosivité est une variable déterminée expérimentalement en additionnant les énergies cinétiques dispersées sur le sol par classes de diamètres des gouttes de pluies naturelles ou artificielles, ceci pour différentes gammes d'intensité de précipitations mesurées ou calculées ; l'érosivité s'exprime en joules.mm de pluie/ha.heure. Les hydrogrammes de ruissellement provenant de chaque parcelle permettent d'établir des relations entre les intensités des pluies et celles du ruissellement lorsque celui-ci a atteint un régime constant. Ces relations permettent de calculer les seuils d'intensité pluviométrique provoquant le premier ruissellement. Ces données expérimentales, reportées dans les hyètogrammes des pluies naturelles, permettent de prévoir les zones génératrices de ruissellement selon leurs caractéristiques hydrodynamiques. Des prélèvements d'échantillons d'eaux turbides permettent également de déduire les charges solides des flux engendrés dans les différentes zones. Ces informations sont particulièrement importantes pour pouvoir distinguer l'origine allochtone ou autochtone des sédiments dans un ravin.

Fig. 2 – Prévision des écoulements et de l'érosion avec le modèle MOBIL.
Fig. 2 – MOBIL model predictions for runoff and erosion.

Fig. 2 – Prévision des écoulements et de l'érosion avec le modèle MOBIL.Fig. 2 – MOBIL model predictions for runoff and erosion.

10La dynamique d'un ravin est étudiée en recherchant les bilans entre les remaniements et les caractéristiques d'état des berges et du lit du ravin. Les caractéristiques d'état sont renseignées par la géométrie, l'occupation et la dynamique des berges et des lits. Les variables géométriques se rapportent à la pente, à la longueur de versant, à celle du lit, et aux coefficients de forme rendant compte de l'activité du ravin (largeur/profondeur d'une section). Les variables liées à l'occupation du sol sont estimées selon quatre classes de taux de recouvrement de la végétation, la dynamique l'est par la nature du matériau des berges ou des lits (sol en place, colluvionné, altérite), et par les dynamiques actuelles détectables : efflorescences salines, mouvements de masse, rigoles, débouchés de conduits de suffosion. L'érosion, l'accumulation ou la stabilité des berges et des lits sont mesurées par des comparaisons diachroniques de levés topographiques permettant de calculer des modèles numériques de terrain (MNT).

11Les MNT sont issus de campagnes de levés topographiques effectués au tachéomètre laser Leica TC 805L. Chaque site est équipé d'une station de base et de stations secondaires matérialisées par des piquets bétonnés. Les stations secondaires servent de références. Elles sont levées en début et en fin de nivellement et permettent l'orientation du levé et le calage des levés successifs. Les points ne sont pas choisis selon un maillage régulier mais en fonction des irrégularités du relief, le long de lignes perpendiculaires aux ravins qui sont matérialisées par une corde posée au sol. Des points complémentaires sont levés pour rendre compte des ruptures de pentes. Les MNT sont élaborés avec SURFER 8.0 en choisissant une grille de 0,05 m ; les courbes de niveau sont obtenues par triangulation avec interpolation linéaire ; les volumes sont calculés par la méthode des trapèzes et le ravin stricto sensu est délimité par un masque qui suit la rupture de pente. Les variations de volume sont obtenues par différence entre deux MNT limités par le même masque. Cette méthode est appliquée une fois par an ou après un événement érosif important. L'erreur de mesure liée au calcul des volumes à partir de MNT est au maximum égale à la somme des incertitudes sur le MNT et des incertitudes de calage sur borne. L'estimation de l'erreur sur le nivellement a été calculée à partir de cinq levés effectués sur une grille-test de 196 points espacés de 1 m, grille mise en place sur une partie de la ravine de Fidh Ali. L'estimation de l'erreur de calage sur borne a été calculée à partir de dix levés de cette borne. L'incertitude sur la cote moyenne du MNT est de 0,0128 m (P = 0,01) et les incertitudes de calage sur borne (P = 0,01) sont de 0,0319 m sur X, 0,0204 m sur Y et 0,009 m sur Z. Le tableau 3 montre que le calcul des volumes par différence des MNT en 1999, 2001 et 2003 est possible pour les conditions de tolérance les plus sévères.

Tableau 3 – Bornes de tolérance pour le calcul des volumes par différence des MNT.
Table 3 – Tolerance limits for volume calculations using the DEM method.

Tableau 3 – Bornes de tolérance pour le calcul des volumes par différence des MNT.Table 3 – Tolerance limits for volume calculations using the DEM method.

12Afin de suivre de façon plus régulière l'évolution des ravines et de préciser la dynamique des berges, un dispositif permettant de restituer des profils en travers a été mis en place. Il comprend un distance-mètre laser Leica Disto Memo couplé à un niveau Bosch DNM 60 L à affichage digital (fig. 3 A). L'ensemble est fixé sur une platine à rotule et mis en station sur les bornes fixes matérialisant le transect de part et d'autre de la ravine. Le distance-mètre laser permet d'obtenir les distances sans avoir à positionner de réflecteur. Les mesures de distance couplées aux mesures d'angle effectuées par visées réciproques depuis chacune des rives permettent, par calcul, de restituer un profil en travers entre les deux bornes (fig. 3 B). Les bornes sont repérées en X, Y, Z dans le levé général effectué au tachéomètre laser. Ceci permet d'obtenir la base de calage pour les mesures relatives effectuées sur les transects (différence de cote et distance entre les deux bornes d'un transect). Les mesures sur un transect sont systématiquement recalées sur la borne en rive gauche (X = 0 et Y = 0). La reproductibilité des mesures a été testée en effectuant vingt mesures successives, le distance-mètre fixé verticalement au-dessus d'un tube métallique (moyenne : 1,365 m, écart-type : 0,0007) puis au-dessus du sol (moyenne : 1,366 m, écart-type : 0,0004). L'erreur de mesure principale pour ce type de montage vient en fait de la mesure des angles. Le niveau à affichage digital a une précision de 0,1 degré et le distance-mètre de 0,001 m. Soit Δ la distance mesurée en mètres, α l'angle mesuré en degrés, δΔ l'erreur sur Δ et δα l'erreur sur α, on calcule les coordonnées X = Δ cos α et Y = Δ sin α. L'erreur relative sur X est donnée par dX/X = dΔ/Δ + tgαdα et celle sur Y par dY/Y = dΔ/Δ + dαtgα. La figure 4 montre les abaques de calcul d'erreur relative obtenues pour un dα = 0,2 degré. Lors des levés, les distances les plus grandes sont mesurées avec les angles les plus faibles tandis que les angles les plus grands sont couplés aux distances les plus courtes. On peut considérer que ce calcul donne des valeurs maximales ; en effet, l'erreur la plus forte en Y est obtenue pour les distances les plus longues, soit le haut de la rive opposée à la station de mesure, mais la mesure réciproque permet de mesurer cette même partie de ravine avec des angles élevés donc des erreurs sur Y plus faibles. La précision de mesure des angles peut aujourd'hui être nettement améliorée si on utilise un tachéomètre qui inclut désormais la mesure de distance sans réflecteur. Cependant, connaissant ses limites d'utilisation et une précision recherchée de l'ordre du centimètre, cette méthode nous a permis de détecter les zones de stabilité, de dépôt ou d'érosion et de suivre l'évolution de quelques profils en travers caractéristiques.

Fig. 3 – Site de mesure de Fidh-Ali (ravine 30, profil 31-32).
Fig. 3 – The Fidh-Ali measurement site (gully 30, cross section 31-32).

Fig. 3 – Site de mesure de Fidh-Ali (ravine 30, profil 31-32). Fig. 3 – The Fidh-Ali measurement site (gully 30, cross section 31-32).

A : Distance-mètre laser installé sur une des bornes ; B : tracé du profil topographique.
A : laser range finder installed on one marker ; B : topographic profile.

Fig. 4 – Évaluation des erreurs commises lors des levés topographiques au distance-mètre laser pour une erreur angulaire de 0.2 degré : exemple du transect Fidh Ali 31-32, levé en novembre 2002.
Fig. 4 – Topographic levelling error estimates using a laser range finder for a 0.2 degree angle error : example of the Fidh Ali 31-32 profile on November 2002.

Fig. 4 – Évaluation des erreurs commises lors des levés topographiques au distance-mètre laser pour une erreur angulaire de 0.2 degré : exemple du transect Fidh Ali 31-32, levé en novembre 2002.Fig. 4 – Topographic levelling error estimates using a laser range finder for a 0.2 degree angle error : example of the Fidh Ali 31-32 profile on November 2002.

A : sur les distances (X) ; B : sur les profondeurs (Y).
A : error on distances (X) ; B : error on depths (Y).

Résultats

13Deux catégories d'informations sont disponibles. La première donne les bilans volumiques qui portent sur des surfaces développées de ravins allant de 1500 à 6000 m2 et permettent l'établissement de premières relations entre les caractéristiques des berges et des lits et leurs remaniements pendant les périodes observées. La seconde catégorie se rapporte aux études sur des mailles plus fines pour prévoir des fonctionnements. Cette analyse se fonde sur des interrelations entre les variables d'état, la géométrie des berges et des lits et leurs bilans volumiques respectifs. Comme l'analyse est statistique, on a dû démultiplier les informations en travaillant sur 10 ramifications de ravin et 28 tronçons de ramifications pour le site de Fidh-Ali et sur 95 masques délimitant quelques dizaines de mètres carrés de berges et de lits à la géométrie et à l'occupation homogènes sur les deux ravins de Kamech (fig. 5).

Fig. 5 – Application de masques : exemple de sélection de sections de berges sur le ravin Kamech 2F
Fig. 5 – Blanking method : selection of characteristic embankment sections on Kamech 2F gully.

Fig. 5 – Application de masques : exemple de sélection de sections de berges sur le ravin Kamech 2FFig. 5 – Blanking method : selection of characteristic embankment sections on Kamech 2F gully.

14Les bilans volumiques globaux sont traduits par les cartes (fig. 6, fig. 7 et fig. 8) qui représentent des surfaces d'iso-remaniements. Le logiciel SURFER© fournissant les surfaces projetées et développées des masques comparés, il est possible de ramener les bilans volumiques globaux en bilans volumiques spécifiques (m3/m2/période séparant les levés) pour comparer correctement les évolutions d'une période à la suivante. Il est aussi possible de calculer un coefficient de forme qui est le rapport entre les surfaces développées et projetées.

Fig. 6 – Isovolumes des remaniements sur le ravin Kamech 7B.
Fig. 6 – Volumetric isovalues of earth reworking on the 7B Kamech gully.

Fig. 6 – Isovolumes des remaniements sur le ravin Kamech 7B. Fig. 6 – Volumetric isovalues of earth reworking on the 7B Kamech gully.

A : de février 2000 à mai 2000, dépôt de 45,7 m3 sur une surface développée du ravin de 1436 m2, soit une accumulation spécifique de +0,032 m3/m2 ; B : de mai 2000 à juin 2000, ablation de 13,3 m3 sur un ravin dont la surface est de 1437 m2, soit une érosion spécifique de –0,009 m3/m2.
A : from February 2000 to May 2000, volume of 45.7 m3 of deposits in a gully extending over 1436 m2, equivalent to +0.032 m3/m2 of deposited sediment thickness ; B : from May 2000 to June 2000, 13.3 m3 of deposits on a gully extending over 1437 m2, equivalent to –0.009 m3/m2 of deposited sediment thickness.

Fig. 7 – Isovolumes des remaniements sur le ravin Kamech 2F.
Fig. 7 – Volumetric isovalues of soil reworking on the 2F Kamech gully.

Fig. 7 – Isovolumes des remaniements sur le ravin Kamech 2F. Fig. 7 – Volumetric isovalues of soil reworking on the 2F Kamech gully.

A : de mai 2000 à juin 2000, ablation de 110 m3 sur un ravin dont la surface est de 1720 m2, soit un taux d'érosion spécifique de -0,064 m3/m2 ; B : de mai 2001 à novembre 2002, ablation de 22 m3 sur la surface du ravin de 1768 m2, soit un taux d'érosion spécifique de –0,012 m3/m2.
A : from May 2000 to June 2000, 110 m3 of erosion on a gully extending over 1720 m2, equivalent to a specific soil erosion depth of -0,064 m3/m2 ; B : from May 2001 to November 2002, 22 m3 of erosion on a gully extending over 1768 m2, equivalent to a specific soil erosion depth of -0,012 m3/m2.*

15Sur l'ensemble des ravins, on constate que la position des aires contributives des apports et des départs de matériaux n'est pas stable d'une période à la suivante. Sur le ravin Kamech 7B (fig. 6, tab. 4) aux phases d'érosion du lit à l'amont en début d'année (février à mai 2000) succèdent des phases de dépôts (mai à juin 2000) tandis que les sédiments du large lit à l'aval sont totalement déblayés à l'issue des averses de juin 2000. On passe d'un bilan positif avec +0,032 m3/m2 à un bilan légèrement érosif avec -0,009 m3/m2. Sur le ravin Kamech 2F (fig. 7, tab. 4) les remaniements sont également différents selon les lieux et les époques. On constate entre mai 2001 et novembre 2002, une dynamique très particulière de la ramification de la rive gauche (coordonnées : 49210 m, 19750 m) dont le lit est profondément incisé alors que d'importants dépôts encombrent sa berge droite.

Tableau 4 – Bilans volumiques globaux et spécifiques sur les bassins de Kamech (2 ravins) et de Fidh-Ali (1 ravin).
Table 4 – Global and specific volumetric budgets on the Kamech (2 gullies) and Fidh'Ali (1 gully) catchments.

Tableau 4 – Bilans volumiques globaux et spécifiques sur les bassins de Kamech (2 ravins) et de Fidh-Ali (1 ravin).Table 4 – Global and specific volumetric budgets on the Kamech (2 gullies) and Fidh'Ali (1 gully) catchments.

16Sur ces deux ravins, on repère une nette influence des flux provenant des champs de l'amont avec des effets souvent divergents sur différents secteurs des ravins ; les remaniements dans les ravins résultent d'une juxtaposition de processus d'ablation par des flux intenses et peu chargés, donc à forte capacité abrasive, et de processus de sédimentation liés à des flux moins intenses mais très chargés. Pour les deux périodes d'observation, le ravin Fidh-Ali (fig. 8, tab. 4) présente des bilans volumiques globaux positifs. Ceux-ci résultent essentiellement de la sédimentation détectée en aval du chenal principal. Des zones d'ablation apparaissent en revanche en amont vers les têtes des ramifications sur matériau meuble.

Fig. 8 – Isovolumes des remaniements sur le ravin Fidh-Ali A.
Fig. 8 – Volumetric isovalues of soil reworking on A Fidh Ali gully.

Fig. 8 – Isovolumes des remaniements sur le ravin Fidh-Ali A. Fig. 8 – Volumetric isovalues of soil reworking on A Fidh Ali gully.

A : d'août 1999 à décembre 2001, dépôt de 202 m3 sur 5680 m2 de la surface du ravin, soit une accumulation spécifique de +0,035 m3/m2 ; B : de décembre 2001 à octobre 2003, dépôt de 166 m3 sur 5680 m2 de la surface du ravin, soit une accumulation spécifique de + 0,029 m3/m2
A : from August 1999 to December 2001, 202 m3 of deposits over 5680 m2 of gully surface area, equivalent to a specific sediment deposit of + 0.035 m3/m2 ; B : from December 2001 to October 2003, 166 m3 of deposits over 5680 m2 of gully surface area, equivalent to a specific sediment deposit of + 0.029 m3/m2.

17Le tableau 4 résume les bilans volumiques des trois ravins étudiés durant trois à cinq ans. Les ablations y apparaissent très dispersées entre 9 et 76 dm3 de terre par m2 de surface développée. Les comblements sont plus regroupés entre 29 et 35 dm3/m2. Ramenées aux pluies cumulées et avec une masse volumique de 1,4 t/m3, les ablations de ces matériaux représentent 20 à 700 g par mm de pluie. On constate rapidement que les facteurs du ravinement sont plus complexes que ce que révèleraient de simples relations avec les hauteurs des pluies ou les érosivités qu'elles engendrent.

Discussion

18Le ravin est un système auto-transformant. Si l'intensité et le sens des remaniements observés dépendent des caractéristiques générales des berges et des lits, celles-ci sont également en partie engendrées par les remaniements eux-mêmes. Ajoutons que ces derniers ont deux origines : ils peuvent être une production intrinsèque du ravin qui subit en ses différentes parties les effets efficaces de l'érosion pluviale, mais ils peuvent aussi dépendre des capacités d'ablation ou de transport des flux provenant des impluviums. Il s'agit donc d'un système complexe nécessitant la prolongation des recherches, notamment sur les connexions entre les dynamiques d'impluvium et celles des ravins. Dans cette perspective, les voies ouvertes par le résultat des mises en relation des bilans de remaniements avec les variables géométriques et celles d'état des versants sont assez prometteuses.

19Les analyses bi-variées sur des ramifications de ravins ou des tronçons de berges et de lits ont permis de détecter des relations fonctionnelles entre les différents éléments de leur géométrie et les bilans volumiques spécifiques pour un état donné de ces berges et de ces lits. Les exemples de relations bi-variées de la figure 9 montrent que ces variables géométriques n'interfèrent pas de façon univoque sur les bilans.

201°) La pente des berges. Les bilans les mieux corrélés peuvent évoluer de façon divergente avec l'accroissement de cette pente. C'est ainsi que l'augmentation des bilans des périodes comprises entre février et mai 2000 ou entre juin 2000 et juin 2001 sur le ravin de Kamech 7B (fig. 9) indique un effet prédominant de l'énergie cinétique des pluies qui est de plus en plus atténuée avec l'augmentation de l'angle d'inclinaison de la berge ; en revanche la diminution des bilans, détectable pour les périodes de mai à juin 2000 ou de juin 2001 à novembre 2002, indique un effet prédominant de la capacité abrasive des flux provenant de l'impluvium des ravins. Les équations de régression permettent en outre de déterminer les pentes limites d'intervention de ces processus.

Fig. 9 – Bilans volumiques des remaniements en relation avec les pentes topographiques des berges des ravins Kamech 2F et 7B.
Fig. 9 – Volumetric budgets in relation to topographic bank slope angle on the Kamech 2F and 7B gullies.

Fig. 9 – Bilans volumiques des remaniements en relation avec les pentes topographiques des berges des ravins Kamech 2F et 7B.Fig. 9 – Volumetric budgets in relation to topographic bank slope angle on the Kamech 2F and 7B gullies.

212°) La pente des lits. Dans les lits des ramifications du ravin de Fidh-Ali, le bilan accumulatif passe à un bilan abrasif pour une pente de 7 % ; ce seuil est celui d'une évacuation des dépôts provenant soit des berges, soit du piémont situé immédiatement en amont du ravin. Dans les deux ravins de Kamech, les situations sont plus complexes, cette corrélation entre le bilan et la pente est élevée pour les lits nus établis sur des altérites ou des dépôts, mais les divergences de bilan sont fréquentes selon les périodes et selon les lieux. On a par exemple noté que la période juin 2001 à novembre 2002 a été celle du surcreusement général des lits, ce qui suppose que les impluviums ont livré des flux intenses et peu chargés.

223°) L'allongement des berges. On constate que les allongements de berges ont des effets plus souvent divergents que ceux de l'allongement des lits. Sur le ravin de Kamech 7B, les importants ruissellements de la période 2000 à 2001 ont fortement marqué les berges dénudées et même celles qui sont végétalisées ; l'allongement des versants a permis la coalescence des filets d'eau et la formation de rigoles accentuant l'ablation de terre parfois jusqu'à la limite des altérites. Le fait que ce processus puisse se produire sur des berges végétalisées corrobore le rôle prépondérant des ruissellements d'impluvium.

234°) L'allongement des lits. L'effet de la longueur des lits a pu être identifié en suivant les évolutions des remaniements s'opérant sur des placettes délimitées en fond de lit de l'amont vers l'aval. Sur les deux ravins de Kamech et pour les différentes périodes, on constate souvent des augmentations de l'abrasion avec l'allongement du lit. Cette observation n'est pas conforme à ce que l'on peut observer expérimentalement sur des canaux découverts, à pente constante, creusés dans un matériau homogène, et où les dépôts augmentent vers l'aval par perte de compétence de flux de plus en plus chargés. Autour du ravin Kamech, les sols s'approfondissent de l'amont vers l'aval si bien que le ravinement atteint rapidement en amont les altérites peu érodables tandis qu'il continue à creuser les matériaux meubles de l'aval. À Fidh-Ali, en revanche, des barres de calcaires coquilliers affleurent au sein de l'impluvium et constituent des seuils ou des irrégularités dans le lit du ravin principal. Entre ces seuils se développent des sols meubles ou des horizons d'altération peu cohérents des marnes gypseuses. Contrairement à Kamech, cet impluvium est entaillé par un réseau de ravines qui convergent vers un court chenal principal ; cette disposition permet de suivre la dynamique particulière de chaque ravine en relation avec leur longueur et la nature des matériaux entaillés. La figure 10 compare les bilans volumiques spécifiques annuels sur ces dix ravines : les ramifications 2, 3, 5, 6, 7 constituent les têtes de ravines les plus actives avec une nette érosion régressive aux dépens du piémont, au moins pendant la période 1999–2001. Les taux d'ablation vont de -0,005 à -0,045 m3/m2 et les taux de sédimentation de 0,004 à 0,082 m3/m2, données dispersées mais cohérentes avec celles du tableau 4. La comparaison des levés topographiques de ces têtes de ravines a aussi permis de calculer la vitesse de leur recul : celle-ci atteint la moyenne de 0,54 m par an pour les ravines entaillant des matériaux meubles et de 0,10 m par an pour celles qui sont inscrites dans des bancs de lumachelles. Cependant la prise en compte de la seule vitesse de recul ne suffit pas, au moins à l'échelle de cette étude, pour mesurer la totalité du ravinement ; en effet, un ravin rencontrant par érosion régressive un banc plus résistant tend à élargir son front d'attaque en formant un amphithéâtre, c'est par exemple le cas de la ravine n° 7.

Fig. 10 – Bilans volumiques spécifiques sur les dix ramifications du ravin Fidh-Ali A de 1999 à 2001 et de 2001 à 2003.
Fig. 10 – Specific volumetric budgets in the ten tributary gullies of the A Fidh-Ali gully at the end of the 1999-2001 and 2001-2003 periods, respectively.

Fig. 10 – Bilans volumiques spécifiques sur les dix ramifications du ravin Fidh-Ali A de 1999 à 2001 et de 2001 à 2003.Fig. 10 – Specific volumetric budgets in the ten tributary gullies of the A Fidh-Ali gully at the end of the 1999-2001 and 2001-2003 periods, respectively.

245°) Le coefficient de forme. Les bilans ont également été mis en relation avec le rapport entre la largeur (L) et la profondeur (P) du ravin, rapport calculé sur les sections les plus proches des placettes de berges ; en toute hypothèse on devrait trouver une relation positive avec l'abrasion lorsque les faibles valeurs de L/P indiquent des sections étroites donc actives et avec l'accumulation pour les grandes valeurs de L/P correspondant aux sections à lit large délimités par des versants courts. Les corrélations sont souvent bonnes et l'hypothèse précédente est vérifiée pour les berges dénudées et végétalisées sur des sols ou des colluvions meubles et l'on observe un bilan nul vers un rapport L/P² 5. Les relations sont plus souvent négatives lorsque les berges sont entaillées dans les altérations de marnes en place, ce que nous expliquons mal pour le moment.

Conclusion

25Le premier objectif de cette étude est la mesure de l'évolution des ravins dégradant les terres cultivées dans le domaine semi-aride tunisien, afin de prévoir la diminution de la capacité de retenues collinaires installées depuis plus de dix ans. Les comparaisons diachroniques de levés topographiques et leur incorporation sous la forme d'un modèle numérique de terrain (MNT) ont montré un taux d'érosion annuel des versants ravinés allant de 15 à 60 m3/ha selon les ravins, en tenant compte de la surface de leur impluvium respectif. Ces valeurs sont cohérentes avec celles qui sont fournies par les mesures de sédimentation (via la bathymétrie) effectuées dans une vingtaine de retenues âgées d'environ 10 ans. Pour 8 % d'entre elles, recueillant des pertes en terre de 20 m3/ha/an, la durée de vie (J. Albergel et al., 2001) n'excèderait pas 10 ans. C'est précisément la situation critique des bassins versants de Kamech et de Fidh-Ali. Avec des pertes en terre de 10 à 20 m3/ha/an à leur amont, 21 % des retenues auront une durée de vie de 10 à 20 ans. Le seuil de rentabilité des barrages sera en revanche atteint pour 71 % des retenues qui, sans modification de l'utilisation des terres du bassin, dureront plus de 30 ans, ce qui correspond à des taux d'ablation inférieurs à 5 m3/ha/an, résultat des seules érosions aréolaires.

26Le second objectif est une contribution à la modélisation du ravinement sur les versants. Dans ce dessein, on considère simultanément les dynamiques des impluviums et des ravins, afin de pouvoir identifier des liens fonctionnels permettant d'interconnecter ces dynamiques (Bull et Kirkby, 2002). Sur l'impluvium, la simulation de pluies, simplement évoquée dans cette étude, a déjà permis de prévoir et de calculer les fréquences, les intensités et les charges solides des écoulements transmis aux ravins. Cette étude met plus particulièrement l'accent sur les relations entre les bilans liant les remaniements et les caractéristiques d'état et de géométrie des berges et des lits. Des masques appliqués sur les MNT des deux ravins ont permis d'obtenir environ 130 sections qui présentent des situations simples, aussi bien pour leurs occupations que pour leur géométrie. Une analyse bivariée a permis de sélectionner les critères géométriques les plus représentatifs pour expliquer les remaniements des berges et des lits. Pour un état donné du versant (surface nue sur sol ou sur altérite, surface plus ou moins végétalisée), les variables géométriques retenues sont les pentes des berges et des lits, leur longueur, des coefficients de forme donnant une indication sur le stade d'activité du ravin et enfin, les distances jusqu'aux têtes des ravins. Des matrices de corrélations ont été ensuite dressées entre les bilans et ces variables géométriques pour chaque type d'occupation du sol. Dans 30 % des cas à Fidh-Ali et dans 60 % des cas à Kamech, des corrélations élevées (0,70 à 0,96) ont relié les variables géométriques à des bilans volumiques positifs (sédimentation) ou négatifs (ablation). Beaucoup de variables prennent ainsi rang d'indicateurs de fonctionnement dynamique. Mais il est aussi apparu que, pour ces corrélations élevées, les fonctionnements peuvent diverger d'une époque à la suivante. C'est ainsi que l'augmentation de la pente d'une berge dénudée peut entraîner soit une augmentation de l'ablation soit sa diminution selon la saison. Ces divergences de réactions s'expliquent par des causes différentes. Si, à une période donnée, le remaniement d'une berge est plus strictement lié à l'efficacité des pluies, on constate une diminution de cette efficacité sur des berges plus inclinées. Si en revanche, à une autre période, le ruissellement provenant des champs proches des berges est le seul moteur de ces remaniements, son action abrasive est renforcée avec l'augmentation de la pente des berges voire des lits. Toutes les relations entre ces variables ne sont pas encore expliquées et l'on doit améliorer les analyses des connexions entre la dynamique des impluviums et celle des ravins. Différentes hypothèses de travail permettent déjà d'orienter les recherches sur les liens fonctionnels entre ces deux dynamiques et l'association de modèles fonctionnels (Beven, 2002). Il apparaît ici que les fréquences des écoulements provenant des impluviums de l'amont, les variations de leurs débits et surtout de leurs charges solides en relation avec les façons culturales en période de forte agressivité des pluies sont des éléments particulièrement importants pour expliquer les modifications des bilans volumiques les mieux corrélés dans les ravins.

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Annexe

Abridged English Version

Many countries have built dams of different sizes in the past decades to provide for increasing water demand caused by modern agricultural expansion. The worldwide average loss of dam capacity due to sedimentation is about 0.5 to 1 % per year, and for the majority of them the loss reaches up to 4 to 5 % (Verstraeten et al., 2002). Small dams (106 m3 capacity) have been built upstream of larger dams in order to collect water from relatively small catchments (10 km2). Those hill catchments serve for irrigation and drinking water for animals but they have also the advantage of reducing sedimentation in the downstream dams.

In Mediterranean semi-arid landscapes, rare but violent rain storms lead to severe gully erosion, especially in regions with marly substrata (Poesen et al., 2003). In this paper, we studied gully erosion in Tunisia on marly catchments in order to (i) determine the rate of gully erosion, which is assumed to be 10 to 15 times larger than sheet erosion, and to (ii) understand the gully network as a system consisting of both an upstream catchment collecting water and suspended material and a gully at its outlet transmitting the flows downstream. Three gully systems were studied : two in the Kamech catchment in the Capbon peninsula on marl and sandstone, and one in the Fidh Ali catchment in Central Tunisia, near Kairouan, on marl and gypsum. In the Fidh Ali system, ten individual gullies were monitored.

The method consisted in periodically measuring the topography of each gully system with a laser tacheometer. From the observed data, digital elevation models (DEMs) were computed. This allowed to derive contour maps of the gullies at the different observation dates and to estimate the change in volume between two dates, with positive values for deposit and negative values for erosion.

With regard to the first objective, the data analysis shows that for all gully networks with areas ranging from 1500 to 6000 m2, apparent gully erosion varied from 15 to 60 m3/ha between 1999 and 2003, as related to the total area of the gully system (sum of catchment and gully areas). However, over some periods, the change in gully volume was positive and soil deposits represented +13 to +27 m3/ha. These gully erosion values are close to the sedimentation rates measured on twenty Tunisian lakes based on changes in by bathymetry. In this context, the estimated life span of most dams does not exceed 10 years, which is largely below the recommended efficiency (30 years) for a general erosion level of less than 5 m3/ha/yr.

With regard to the second objective, i.e. to understand the gullying process, about 130 segments of embankments and beds of a few square metres where isolated within the three gully networks to establish relations between their volumetric changes and their geometric and state characteristics. Geometric characteristics include : slopes of embankments and beds, lengths, shape coefficients indicating activity level of the gully, and distance to the head of the gully or its ramifications. State characteristics describe the vegetation cover of embankments and beds, the mineralogy of the gully material, and the main acting processes presence like salt precipitation, mass movement, and pipe resurgence.

Correlation matrices and multivariate statistical analysis have provided insight into the directions and dimensions of the relations between the volumetric changes of the segments and their geometry for a given class of segment state. It was shown that the correlation structures could change from one measurement period to another. For example, the increase in a bare embankment slope can lead either to an increase or a decrease in ablation rate depending on the specific conditions of the observation period. Such variability may be explained as follows : if, for a given year, surface modifications are more strongly correlated with precipitation energy, we noticed a decrease in the impact of this energy with increasing embankment slope. Conversely, if, another year, runoff coming from open fields is the only factor affecting surface modifications, erosive action is reinforced by the increase in embankment and bed slopes.

We conclude that catchment dynamics and the dynamics of the downstream gullies cannot be separated. Different hypotheses are directing our research to find functional links between those two sub-systems. It seems that the frequency of runoff coming from upstream catchments, and the variation in flow rates and in sediment composition and structure (linked to agricultural practices during intensive rainfall periods) are particularly important parameters for explaining volumetric changes in gullies.

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Table des illustrations

Titre Tableau 1 – Pertes de capacité des barrages dans le domaine méditerranéen, d'après J. Margat (2002) et J. Dunglas (2002). Table 1 – Storage capacity losses for dammed reservoirs in the Mediterranean area, after J. Margat (2002) and J. Dunglas (2002).
URL http://geomorphologie.revues.org/docannexe/image/257/img-1.png
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Titre Tableau 2 – Estimation de l'érosion dans des ravins en milieu méditerranéen.Table 2 – Estimate of gully erosion in the Mediterranean area.
URL http://geomorphologie.revues.org/docannexe/image/257/img-2.png
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Titre Fig. 1 – Localisation et topographie des sites étudiés. A : le ravin Kamech 2F ; B : le ravin Kamech 7B ; C : le ravin Fidh-Ali A.Fig. 1 – Location of studied sites. A : the Kamech 2F gully ; B : the Kamech 7B gully ; C : the Fidh-Ali A gully.
URL http://geomorphologie.revues.org/docannexe/image/257/img-3.png
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Titre Fig. 2 – Prévision des écoulements et de l'érosion avec le modèle MOBIL.Fig. 2 – MOBIL model predictions for runoff and erosion.
URL http://geomorphologie.revues.org/docannexe/image/257/img-4.png
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Titre Tableau 3 – Bornes de tolérance pour le calcul des volumes par différence des MNT.Table 3 – Tolerance limits for volume calculations using the DEM method.
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Titre Fig. 3 – Site de mesure de Fidh-Ali (ravine 30, profil 31-32). Fig. 3 – The Fidh-Ali measurement site (gully 30, cross section 31-32).
Légende A : Distance-mètre laser installé sur une des bornes ; B : tracé du profil topographique.A : laser range finder installed on one marker ; B : topographic profile.
URL http://geomorphologie.revues.org/docannexe/image/257/img-6.png
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Titre Fig. 4 – Évaluation des erreurs commises lors des levés topographiques au distance-mètre laser pour une erreur angulaire de 0.2 degré : exemple du transect Fidh Ali 31-32, levé en novembre 2002.Fig. 4 – Topographic levelling error estimates using a laser range finder for a 0.2 degree angle error : example of the Fidh Ali 31-32 profile on November 2002.
Légende A : sur les distances (X) ; B : sur les profondeurs (Y).A : error on distances (X) ; B : error on depths (Y).
URL http://geomorphologie.revues.org/docannexe/image/257/img-7.png
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Titre Fig. 5 – Application de masques : exemple de sélection de sections de berges sur le ravin Kamech 2FFig. 5 – Blanking method : selection of characteristic embankment sections on Kamech 2F gully.
URL http://geomorphologie.revues.org/docannexe/image/257/img-8.png
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Titre Fig. 6 – Isovolumes des remaniements sur le ravin Kamech 7B. Fig. 6 – Volumetric isovalues of earth reworking on the 7B Kamech gully.
Légende A : de février 2000 à mai 2000, dépôt de 45,7 m3 sur une surface développée du ravin de 1436 m2, soit une accumulation spécifique de +0,032 m3/m2 ; B : de mai 2000 à juin 2000, ablation de 13,3 m3 sur un ravin dont la surface est de 1437 m2, soit une érosion spécifique de –0,009 m3/m2.A : from February 2000 to May 2000, volume of 45.7 m3 of deposits in a gully extending over 1436 m2, equivalent to +0.032 m3/m2 of deposited sediment thickness ; B : from May 2000 to June 2000, 13.3 m3 of deposits on a gully extending over 1437 m2, equivalent to –0.009 m3/m2 of deposited sediment thickness.
URL http://geomorphologie.revues.org/docannexe/image/257/img-9.png
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Titre Fig. 7 – Isovolumes des remaniements sur le ravin Kamech 2F. Fig. 7 – Volumetric isovalues of soil reworking on the 2F Kamech gully.
Légende A : de mai 2000 à juin 2000, ablation de 110 m3 sur un ravin dont la surface est de 1720 m2, soit un taux d'érosion spécifique de -0,064 m3/m2 ; B : de mai 2001 à novembre 2002, ablation de 22 m3 sur la surface du ravin de 1768 m2, soit un taux d'érosion spécifique de –0,012 m3/m2.A : from May 2000 to June 2000, 110 m3 of erosion on a gully extending over 1720 m2, equivalent to a specific soil erosion depth of -0,064 m3/m2 ; B : from May 2001 to November 2002, 22 m3 of erosion on a gully extending over 1768 m2, equivalent to a specific soil erosion depth of -0,012 m3/m2.*
URL http://geomorphologie.revues.org/docannexe/image/257/img-10.png
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Titre Tableau 4 – Bilans volumiques globaux et spécifiques sur les bassins de Kamech (2 ravins) et de Fidh-Ali (1 ravin).Table 4 – Global and specific volumetric budgets on the Kamech (2 gullies) and Fidh'Ali (1 gully) catchments.
URL http://geomorphologie.revues.org/docannexe/image/257/img-11.png
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Titre Fig. 8 – Isovolumes des remaniements sur le ravin Fidh-Ali A. Fig. 8 – Volumetric isovalues of soil reworking on A Fidh Ali gully.
Légende A : d'août 1999 à décembre 2001, dépôt de 202 m3 sur 5680 m2 de la surface du ravin, soit une accumulation spécifique de +0,035 m3/m2 ; B : de décembre 2001 à octobre 2003, dépôt de 166 m3 sur 5680 m2 de la surface du ravin, soit une accumulation spécifique de + 0,029 m3/m2A : from August 1999 to December 2001, 202 m3 of deposits over 5680 m2 of gully surface area, equivalent to a specific sediment deposit of + 0.035 m3/m2 ; B : from December 2001 to October 2003, 166 m3 of deposits over 5680 m2 of gully surface area, equivalent to a specific sediment deposit of + 0.029 m3/m2.
URL http://geomorphologie.revues.org/docannexe/image/257/img-12.png
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Titre Fig. 9 – Bilans volumiques des remaniements en relation avec les pentes topographiques des berges des ravins Kamech 2F et 7B.Fig. 9 – Volumetric budgets in relation to topographic bank slope angle on the Kamech 2F and 7B gullies.
URL http://geomorphologie.revues.org/docannexe/image/257/img-13.png
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Titre Fig. 10 – Bilans volumiques spécifiques sur les dix ramifications du ravin Fidh-Ali A de 1999 à 2001 et de 2001 à 2003.Fig. 10 – Specific volumetric budgets in the ten tributary gullies of the A Fidh-Ali gully at the end of the 1999-2001 and 2001-2003 periods, respectively.
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Pour citer cet article

Référence papier

Jean Collinet et Patrick Zante, « Analyse du ravinement de bassins versants à retenues collinaires sur sols à fortes dynamiques structurales (Tunisie) », Géomorphologie : relief, processus, environnement, vol. 11 - n° 1 | 2005, 61-74.

Référence électronique

Jean Collinet et Patrick Zante, « Analyse du ravinement de bassins versants à retenues collinaires sur sols à fortes dynamiques structurales (Tunisie) », Géomorphologie : relief, processus, environnement [En ligne], vol. 11 - n° 1 | 2005, mis en ligne le 01 juillet 2007, consulté le 30 avril 2017. URL : http://geomorphologie.revues.org/257 ; DOI : 10.4000/geomorphologie.257

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