Climatic variability and groundwater resources in the semi-mountainous area of Man

ARTICLE

La Côte d'Ivoire comme d'autres pays non sahéliens est affectée par la sécheresse et se trouve confrontée au problème de la gestion de l'eau. Cette étude vise à préciser l'impact de la variation climatique régionale sur l'alimentation des aquifères souterrains et donc sur les ressources en eau du pays. La réduction pluviométrique mise en évidence et analysée se répercute sur les niveaux piézométriques et sur les volumes mobilisés par les aquifères.

La gestion des ressources en eau est un problème très sensible dont bon nombre d'organismes internationaux ont souligné l'importance vitale pour cette nouvelle décennie. La variabilité climatique, que la FAO et l'Unesco considèrent comme une véritable ressource au même titre que les sols, les forêts, etc., reste un facteur fondamental de cette gestion.

En Côte d'Ivoire, ce n'est que tout récemment que la communauté scientifique s'est penchée sur l'interaction entre pluviométrie et eau souterraine dans le milieu fissuré que constitue le substratum cristallin à cristallophyllien couvrant 90 % du territoire. Biémi [1] a évalué la quantité d'eau alimentant les réservoirs souterrains de la Marahoué (centre-ouest de la Côte d'Ivoire). Savané [2] a étudié l'impact de la variabilité pluviométrique sur les aquifères dans une zone sensible à la sécheresse, la région d'Odienné au nord-ouest de la Côte d'Ivoire. D'autres auteurs [3-5], enfin, ont également souligné la variabilité climatique ressentie en Côte d'Ivoire.

Cette étude propose d'étudier l'évolution de la pluviométrie à partir de trois stations de mesures localisées dans la région de Man (ouest de la Côte d'Ivoire). Cette approche concerne à la fois la variabilité interannuelle évaluée en utilisant le test de détection de Pettitt [6] et la variabilité saisonnière. Par la suite, la quantification de l'impact de cette variabilité sur les eaux souterraines est évaluée par calcul des coefficients de tarissement et des volumes mobilisés par les aquifères.

Situation de la zone d'étude

La région étudiée se situe à l'ouest de la Côte d'Ivoire dans un contexte de relief semi-montagneux entre 7° et 7°36' de latitude Ouest et 7° et 8°24' de longitude Nord (carte).

Dans cette zone, deux stations pluviométriques (Man et Danané) et deux stations hydrotimétriques (Man et Flampleu) sont retenues en raison de la qualité des données disponibles par ces quatre stations et de l'ancienneté de ces dernières qui a permis des mesures sur plusieurs décennies. Flampleu et Danané se trouvent dans le bassin versant du Cavally tandis que Man se trouve dans le bassin versant du Drou qui est un sous-bassin du Sassandra.

Méthode

Étude de la variabilité de la pluviométrie

* Calcul des indices pluviométriques annuels

Les indices pluviométriques annuels sont calculés suivant la formule proposée par Nicholson [7] :

Xij = [(r_ij - _r_i ] / sigma_i

Où :

r_ij = hauteur de pluie totale pour une station i et une année j ;

_r_i = moyenne annuelle de pluie à la station i pendant la durée entière de l'enregistrement ;

sigma_i = écart type de la pluviométrie annuelle.

* Détection de rupture sur les séries pluviométriques annuelles

Les séries pluviométriques sont soumises au test de détection de rupture de Pettitt [6] qui indique les grandes périodes d'évolution de la pluviométrie. La rupture peut se définir comme le point à partir duquel un changement intervient dans une série chronologique. Chaque sous-échantillon obtenu est également soumis à ce test, subdivisant ainsi les séries en périodes globalement homogènes et présentant des moyennes significativement différentes les unes des autres. Le principe de ce test est le suivant :

- la série étudiée (d'effectif N) est divisée en deux sous-échantillons de taille m et n respectivement ;

- les valeurs des deux échantillons sont regroupées et classées par ordre croissant. On calcule alors la somme des rangs des éléments de chaque sous-échantillon dans l'échantillon total. Une étude statistique est ensuite réalisée à partir des deux sommes ainsi déterminées, puis testée selon l'hypothèse d'aucune appartenance des deux sous-échantillons à la même population.

La formulation du test de Mann-Whitney modifié par Pettitt [6] est que l'hypothèse nulle du test est l'absence de rupture dans la série.

La mise en œuvre du test suppose que, pour tout instant t variant de 1 à N, les séries (x_i), i = 1, t et (x_i), i = t + 1, N appartiennent à la même population.

Soit Dij = sgn(x_i - x_j) avec sgn(x) = 1 si x > 0, 0 si x = 0, - 1 si x < 0, on considère la variable U_{t, N} telle que :

Soit K_N la variable définie par le maximum en valeur absolue de U_{t, N} pour t variant de 1 à N-1, si k désigne la valeur de K_N prise sur la série étudiée, sous l'hypothèse nulle, la probabilité de dépassement de la valeur k est donnée

approximativement par :

Prob(K_N > k) = 2exp [- 6k²/(N³ + N²)]

Pour un risque de première espèce alpha donné, si Prob(K_N > k) est inférieur à alpha, l'hypothèse nulle est rejetée.

* Variabilité des pluies mensuelles

On calcule ensuite les pluviométries moyennes mensuelles sur chaque période de rupture pour éviter les biais dus à une trop grande fluctuation des données, ce qui est souvent le cas pour l'approche classique qui consiste à calculer systématiquement les moyennes mensuelles décennales.

Traitement des débits

* Débits mensuels et annuels moyens

Pour chaque station, les calculs des débits moyens mensuels décennaux et des débits moyens annuels sont effectués sur toute la durée de l'enregistrement. On utilise ensuite les débits journaliers pour calculer les coefficients de tarissement et les volumes mobilisés par les aquifères.

* Calcul des coefficients de tarissement des cours d'eau et des volumes mobilisés par les aquifères

Construction de la courbe de tarissement

De façon pratique, on part du débit journalier le plus élevé de l'année (considéré comme débit initial Q₀), puis on reporte en abscisse les débits mesurés tous les dix jours, jusqu'à ce qu'ils remontent de façon significative. Les courbes de tarissement vont correspondre aux périodes pendant lesquelles le débit décroît de façon plus ou moins régulière (régime non influencé), c'est-à-dire en l'absence de toute précipitation (pluie d'étiage et crue parasite). Si on n'observe pas de courbe de tarissement continue en raison d'une recharge due à une pluie d'étiage, il importe alors de séparer la partie régulière représentant le tarissement pur tel qu'il se serait produit sans la pluie d'étiage [8] ; dans ce cas, un Q₀ plus petit que le débit journalier le plus élevé de l'année peut être retenu. L'intervalle de temps de dix jours peut être modifié, mais cette valeur retenue par El Ouafi [9] nous semble la mieux choisie pour obtenir une courbe régulière et significative. Cet intervalle peut toutefois être réduit pour un tarissement plus court.

Calcul du coefficient de tarissement par dichotomie

Selon Olivry [10], il est difficile d'évaluer le coefficient de tarissement en région tropicale en raison d'une saison sèche trop courte. On a donc utilisé la résolution dichotomique, une nouvelle méthode développée par Coulibaly [11] et qui permet d'évaluer le coefficient de tarissement avec précision, quel que soit la longueur du tarissement.

L'expression mathématique du tarissement s'écrit [12] :

Q_t = Q₀e^-kt

Où :

Q_t = débit à l'instant t donné ;

Q₀ = débit initial (débit au début du tarissement) ;

k = coefficient de tarissement de Maillet.

La loi de Maillet a pour modèle un seul réservoir. Deux cas sont à considérer :

- l'ensemble de l'aquifère est traité comme un seul réservoir ;

- l'ensemble est traité comme étant la somme de plusieurs réservoirs.

Nous retenons le cas d'un seul réservoir.

En régime non influencé, on estime que la courbe annuelle de tarissement est l'expression de la vidange du réservoir souterrain et, donc, que la quantité d'eau récupérée à la station de jaugeage correspond exclusivement aux volumes dynamiques mobilisés par l'ensemble des aquifères du bassin. L'expression en m³ du volume écoulé à chaque instant t est donnée par :

(1)

Ce qui donne :

V = [Q₀/K] (1 - e ^{-- Kt}) (2)

Q₀ est exprimé en m³/s et k étant calculé en jours^{- 1}, Q₀ est multiplié par 86 400 pour la compatibilité des unités.

Considérons que le régime non influencé s'arrête à l'instant A. Le volume V peut être évalué sur la courbe de tarissement par la méthode des trapèzes (mathématiquement, V correspond à la surface délimitée par l'axe des abscisses et la courbe de tarissement).

À partir de l'équation du volume écoulé (2), on pose :

[V/Q₀] = [(1/k) - (e ^{-- Kt}/k]

En regroupant tous les termes dans un seul membre et en remplaçant t par sa valeur A, on obtient :

[e ^{-- Kt}/k] + [V/Q₀] - [(1/k) = 0

Pour la simplification de l'écriture, on pose [V / Q₀] = B. L'équation définitive est donc :

[e ^{-- Kt}/k] + [B - (1/k)] = 0 (3)

Où k est l'inconnue.

Cette équation peut être résolue par la méthode de dichotomie [11].

Évaluation du volume mobilisé

L'intégration de la formule (1) de 0 à + l'infini donne le volume mobilisé par l'ensemble des aquifères du bassin versant, soit :

Q₀ est exprimé en m³/s et k étant calculé en jours^{- 1}, Q₀ est multiplié par 86 400 pour la compatibilité des unités.

Résultats, interprétation et discussion

Indices pluviométriques annuels

* Station de Man

Le calcul des indices pluviométriques de 1923 à 1996 donne la répartition suivante (figure 1) : une période humide s'étendant de 1923 à 1950, suivie d'une période normale allant de 1950 à 1966 et, enfin, une période de déficit hydrique allant de 1966 à 1996.

La période normale correspond à une période où la moyenne des pluviométries annuelles tend vers la moyenne de la pluviométrie totale, c'est-à-dire avec une fluctuation également répartie de part et d'autre de zéro. Pour une période humide, cette moyenne est supérieure à la moyenne de la pluviométrie totale et, en période de déficit, elle leur est inférieure.

Une première étude réalisée par Saley [13] concerne la période s'étendant de 1947 à 1996 à la station de Man. Elle permet de distinguer trois périodes climatiques : une période humide s'étendant de 1947 à 1967, suivie d'une période normale de 1967 à 1978 et, enfin, une période sèche allant de 1978 à 1993.

L'auteur note une remontée des précipitations de 1993 à maintenant.

On constate effectivement une remontée des précipitations dès 1993. Mais la période humide de Saley correspond davantage à une période normale lorsqu'on prend en compte les années 1927-1947. En effet, ces années étant plus pluvieuses, la moyenne est rehaussée, ce qui entraîne une diminution des valeurs des indices calculés sur la période considérée comme humide par l'auteur. Cela montre à quel point il est important de procéder aux découpages climatiques sur des séries longues qui soient les plus longues possibles, et souligne le caractère relatif des découpages effectués selon la méthode Nicholson [7]. Les périodes déterminées ne soulignent que des variations de précipitations (diminution ou augmentation) sans pour autant définir de véritables périodes sèches ou humides. Il est cependant intéressant de remarquer que l'on constate une baisse des précipitations depuis 1966 à la station de Man.

* Station de Danané

Sur la station de Danané, le calcul des indices porte sur une période plus courte (1949-1995) et on obtient le découpage suivant (figure 2) : une période humide allant de 1949 à 1966, suivie d'une période sèche s'étendant de 1966 à 1995.

Ici également, une diminution des précipitations s'amorce dès 1966.

* Point de rupture sur les séries pluviométriques

Afin de confirmer le découpage obtenu à partir des indices pluviométriques, les séries pluviométriques sont soumises au test de détection de rupture de Pettitt [6].

À la station de Man, on a pu détecter deux années de rupture et donc trois périodes climatiques. La rupture la plus significative se situe en 1966 et la deuxième en 1944. La station de Danané, elle, n'indique qu'une seule année de rupture qui est 1966. Cela correspond au découpage obtenu avec les indices pluviométriques. Pour Brou [4], la date de rupture de 1966 correspond à une rupture dite précoce, avant 1970.

Ces deux postes de mesures obéissent à la tendance générale de baisse pluviométrique constatée en Afrique. En effet, sur 85 postes pluviométriques situés en Afrique de l'Ouest et en Afrique centrale étudiés par Paturel et al. [14], seuls cinq postes présentent une rupture significative située en dehors de la période 1960-1979.

Étude de la pluviométrie mensuelle

* Station de Man

Les moyennes mensuelles sont calculées sur les différentes périodes de rupture qui constituent des ensembles plus homogènes. Presque tous les mois de l'année connaissent une baisse de leur pluviométrie de façon progressive. L'allure unimodale de la pluviométrie qui apparaît dès la première période (1923-1944) est quelque peu altérée à la deuxième et à la dernière période (figure 3). On constate qu'une période de forte pluviométrie (> 200 mm), qui s'étendait sur quatre mois avant 1945, se réduit à trois mois pendant la période 1945-1966, puis à deux mois durant la dernière période 1966-1995 avec une baisse très marquée pour les mois de juin et juillet.

* Station de Danané

Le graphe obtenu (figure 4) indique une baisse sensible de la pluviométrie durant les mois d'octobre, novembre, décembre, janvier, février, avril et une baisse plus forte pour les mois de juin et juillet. Ainsi, de quatre mois de période à forte pluviométrie (> 300 mm), il n'en reste plus que deux à partir de 1967. Les mois de juin et juillet, respectivement à 300 et 350 mm en 1949-1966, passent à 250 mm à peine entre 1967 et 1995. Le rétrécissement de la période pluvieuse apparaît donc clairement.

Coulibaly [11] constate également une baisse de la pluviométrie mensuelle sur les sept mois les plus pluvieux de l'année à la station de Guiglo dans le sud-ouest de la Côte d'Ivoire.

Tarissement et volumes mobilisés

* Évolution des coefficients de tarissement

Les coefficients de tarissement connaissent une augmentation notable sur l'ensemble des deux stations. Celle-ci est nette et régulière à partir de 1983 à la station de Flampleu tandis que, à Man, cette augmentation s'amorce dès 1955 (figures 5 et 6). Mahé et al. [15] ont observé une augmentation des coefficients de tarissement dès 1969 sur cinq sous-bassins du fleuve Niger. Olivry [10] a également noté ce phénomène sur un nombre très varié de bassins, tels que le Chari dans le bassin versant du lac Tchad, la Sangha en Afrique centrale, pour lesquels l'auteur parle « d'hyper- tarissement ». Pour lui, la baisse pluviométrique intervenue en 1970 a des effets durables sur les cours d'eau. Malgré la reprise des pluies en 1985-1990, « un effet de mémoire » aurait perturbé les paramètres hydrologiques des grands cours d'eau en Afrique.

Toujours selon ce même auteur, cet hyper-tarissement pourrait être consécutif à un rétrécissement des aquifères car, selon la loi de Darcy, le coefficient de tarissement est directement proportionnel à la conductivité hydraulique (perméabilité) et inversement proportionnel aux dimensions de l'aquifère. L'augmentation considérable du coefficient de tarissement dans la période sèche correspond essentiellement à une réduction de l'extension des aquifères et, donc, de la largeur des nappes de versant. Ainsi, la baisse importante du niveau piézométrique est-elle un phénomène général des régions soudano-sahéliennes qui est également signalé en Côte d'Ivoire par Savané [2] .

* Étude du volume mobilisé par les aquifères.

Les volumes mobilisés ainsi que les débits connaissent une baisse liée à la réduction pluviométrique. À la station de Man (Drou), malgré des données incomplètes entre 1957-1962, 1964-1968 et 1978-1983, on constate une première baisse très marquée autour des années 1970 puis une baisse plus brutale en 1983 (figure 5). Au contraire, à la station de Flampleu (Cavally), la diminution des volumes mobilisés est sensible dès 1955 et se poursuit jusqu'en 1988, date à partir de laquelle on observe une nette remontée des volumes mobilisés (figure 6). En comparant ces deux cours d'eau, on remarque que le Cavally à Flampleu est plus sensible aux variations de la pluviométrie. En effet, bien que le Cavally et le Drou présentent tous deux des tarissements rapides (coefficients de tarissement forts : 0,036 j^{- 1} pour le Drou et 0,057 j^{- 1} pour le Cavally, en moyenne), les aquifères du Cavally semblent se vider plus rapidement. Les quantités d'eau reçues par le biais de la recharge sont très rapidement déversées dans les cours d'eau. Ce régime, caractéristique des aquifères très perméables, correspond à celui de la région de Man en milieu cristallin très fracturé, avec l'existence de fractures ouvertes drainantes interconnectées ne favorisant pas l'emmagasinement. Selon Schoeller [16], les chenaux de gros diamètres et les fissures larges se vident très rapidement, puis suivent les chenaux de faibles diamètres et les fissures étroites. L'eau circulant dans les joints et diaclases très serrés se vide très lentement et peut s'étaler sur toute l'année. Nous sommes donc en présence d'un aquifère dominé par des fissures et des fractures larges.

En revanche, le Drou présente dans la règion de Man une vidange plus lente de ses aquifères. Par conséquent, ce cours d'eau réagit plus lentement aux variations pluviométriques à cause de l'effet d'emmagasinement. Ici, les fractures et les fissures de faibles diamètres sont prédominantes, d'où une perméabilité plus faible. L'eau retenue par les aquifères est libérée plus lentement puisqu'elle est concentrée dans les joints et diaclases très serrés.

La reprise des précipitations en 1985-1990 se traduit d'ailleurs par une remontée forte et immédiate des volumes mobilisés pour le Cavally tandis que, pour le Drou, la remontée est moins nette.

CONCLUSION

La région semi-montagneuse de Man, tout comme une bonne partie de l'Afrique de l'Ouest, est affectée par une période de récession pluviométrique. Son climat est marqué par une baisse pluviométrique amorcée dès 1966 alors que celui de la zone sub-saharienne enregistre cette même baisse pluviométrique en 1970. Ce phénomène climatique se répercute sur les débits des eaux de surface et souterraines. Parmi les bassins versants les plus affectés, celui du Cavally à Flampleu (ouest de la Côte d'Ivoire) se caractérise par une réduction importante des volumes mobilisés par les aquifères et cela durant toute la durée de la récession pluviométrique (1966-1990). D'autres bassins versants sont moins concernés, tels que celui du Drou à Man qui réagit plus lentement en raison de sa capacité à emmagasiner l'eau dans les aquifères. Afin d'optimiser la mise en valeur durable de ces bassins versants, il convient donc de les gérer en prenant en compte leur sensibilité aux variabilités climatiques en perpétuelle évolution dans la sous-région [3].

La démarche utilisée dans ce travail a permis de mettre au point un logiciel dénommé EVC (évaluation de la variabilité climatique) écrit en Qbasic et VBA pour Excel comme application complémentaire. Au-delà de la facilité de calcul qu'il induit, ce logiciel propose une démarche d'étude climatique, à savoir : bilan hydrologique, indices pluviométriques, calcul de rupture, moyennes mensuelles par période de rupture et, enfin, coefficient de tarissement et volumes mobilisés.

REFERENCES

1. Biémi J. Contribution à l'étude géologique, hydrogéologique et par télédétection des bassins versants sub-sahéliens du socle précambrien d'Afrique de l'Ouest : hydrostructurale, hydrodynamique, hydrochimie et isotopie des aquifères discontinus de sillons et aires granitiques de la haute Marahoué (Côte d'Ivoire). Thèse d'état es-sciences naturelles, Université nationale de Côte d'Ivoire, 1992 ; 424 p.

2. Savané I. Contribution à l'étude géologique et hydrogéologique des aquifères discontinus du socle d'Odienné (Nord-Ouest de la Côte d'Ivoire). Apport de la télédétection et d'un système d'information hydrogéologique à références spatiales (SIHRS). Thèse de doctorat d'état ès-sciences naturelles, Université de Cocody, 1997 ; 398 p.

3. Paturel JE, Servat E, Kouame B, Boyer JF. Manifestation de la sécheresse en Afrique de l'Ouest non-sahélienne : cas de la Côte d'Ivoire, du Togo et du Benin. Bull Sécheresse 1995 ; 6 : 95-102.

4. Brou Y. Évolution de la pluviométrie et déforestation dans le Sud-Ouest et le Centre. Note et travaux (Orstom) 1996 ; 8.

5. Kouame KF. Contribution à l'étude géologique et hydrogéologique des aquifères discontinus de montagne à l'ouest de la Côte d'Ivoire. Cas du secteur Biankouma-Man. Apports de la télédétection et d'un Système d'Information Géographique. Mémoire de DEA des sciences de la terre, université de Cocody, 1997 ; 76 p.

6. Pettitt AN. A non-parametric approach to the change-point problem. Applied Statistics 1979 ; 28 : 126-35.

7. Nicholson SE. Sub-sahara rainfall in the years 1976-1980 : evidence of continued drought. Monthly Weather Rev 1983 ; 3 : 1646-54.

8. Forkasiewicz J, Paloc H. Le régime de tarissement de la Foux de la Vis, étude préliminaire. In : Hydrologie des roches fissurées. Actes du colloque de Dubrovnik oct 1965. Vol I. AIHS - UNESCO, 1965 : 213-26.

9. El Ouafi M. Tarissement et vidange de La Liane (Nord de la France). Hydrologie Continentale 1993 ; 8 : 103-12.

10. Olivry JC. Long-term effects of rain shortage : the ill rivers of Western and Central Africa. In : FRIEND troisième rapport : 1994-1997. UNESCO-IHP, 1997 : 158-62.

11. Coulibaly KM. Évaluation du bilan hydrologique, de la variabilité climatique et du tarissement des cours d'eau par l'application de méthodes mathématiques dans le bassin versant du fleuve Sassandra (région de Buyo en Côte d'Ivoire). Mémoire de DEA en sciences de l'environnement, université Abobo-Adjamé, 1997 ; 80 p.

12. Castany G. Traité pratique des eaux souterraines. Paris : Dunod, 1963 ; 657 p.

13. Saley MB. Estimation du bilan hydrologique et simulation d'écoulement dans la région de Man (Ouest de la Côte d'Ivoire). Cas du bassin versant du Ko. Mémoire de DEA des sciences de la terre, option hydrogéologie, université de Cocody, 1998 ; 91 p.

14. Paturel JE, Lubes-Niel H, Servat E, Fritsch JM. Longues séries pluviométriques en Afrique de l'Ouest et centrale non-sahélienne. In : FRIEND troisième rapport : 1994-1997. UNESCO-IHP, 1997 : 357-61.

15. Mahé G, Bricquet JP, Diabate M, Diarra M, Leroux JF, Soumaguel A. Régionalisation hydrologique en Afrique de l'Ouest et centrale au Mali. In : FRIEND troisième rapport : 1994-1997. UNESCO-IHP, 1997 : 93-5.

16. Schoeller H. Hydrodynamique dans le karst. In : Hydrologie des roches fissurées. Actes du colloque de Dubrovnik oct. 1965. Vol I. AIHS-UNESCO, 1965 : 213-26.