Classification des régimes hydrologiques saisonniers de l'Afrique : un outil potentiel pour le suivi des changements environnementaux

ARTICLE

Auteur(s) : David Brousseau¹, Ali A Assani¹, Françoise Kalenga², Muaka Mbenza²

¹Laboratoire d'hydro-climatologie et de géomorphologie fluviale Section de géographie Pavillon Léon-Provencher Université du Québec à Trois-Rivières 3351, boulevard des Forges Trois-Rivières Québec G9A 5H7 Canada
²Université de Lubumbashi Département de géographie BP 1825 Lubumbashi République démocratique du Congo

En Afrique, la classification des régimes hydrologiques saisonniers est encore largement fondée sur les critères proposés par Pardé [1]. Ces critères tiennent compte de deux principaux éléments : le mode d'alimentation et la répartition mensuelle des débits. On parle ainsi de régimes pluviaux simples (un seul maximum et un seul minimum) ou complexes (plusieurs extrema). Ces critères ont été remis en question par plusieurs auteurs en raison notamment de leur caractère qualitatif et subjectif, de la difficulté à les traduire sous forme d'un algorithme ou encore du fait qu'ils ne tiennent pas compte de toutes les caractéristiques des débits (définies selon le concept de « régime des débits naturels ») [2-4]. La critique la plus importante est le caractère qualitatif de ces critères. Les régimes hydrologiques saisonniers qui en découlent ne reflètent pas l'influence des conditions physiographiques et climatiques de l'Afrique. De plus, ils ne permettent pas de suivre les effets induits par des changements environnementaux d'origine naturelle et/ou anthropique (changements climatiques, déforestation, etc.) sur les débits saisonniers.

Le principal objectif de cette étude est de proposer une classification quantitative des régimes hydrologiques saisonniers en Afrique afin de pouvoir répondre en partie à ces critiques. Elle repose sur l'hypothèse suivante : l'utilisation de toutes les caractéristiques des débits dans la classification et la caractérisation des régimes hydrologiques saisonniers permet de mettre en évidence l'influence des principaux facteurs sur leur variabilité spatiale et de fournir des indices quantitatifs potentiels pour suivre les changements environnementaux. Il est utile de préciser que cette classification n'a pas pour finalité de fournir des outils pour l'estimation des débits sur des sites non jaugés ou partiellement jaugés. Ainsi, elle s'inscrit dans le cadre de la régionalisation écogéographique telle qu'elle a été définie et développée par Assani et al. [5]. Cette approche nous a permis de distinguer différents types de régimes hydrologiques saisonniers qui reflètent l'influence des facteurs climatiques et physiographiques sur l'écoulement en Afrique.

Méthodologie

Sources de données

Choix des variables hydrologiques

Cependant, pour éviter ce choix arbitraire des variables hydrologiques, nous avons préconisé d'appliquer le concept écologique de « régime des débits naturels » [8, 9], développé durant la décennie 1990 en écologie aquatique. En effet, selon ce concept, les débits d'un cours d'eau peuvent être décomposés en cinq caractéristiques fondamentales : la magnitude (volume d'écoulement ou quantité d'eau dans le chenal), la fréquence, la période d'occurrence, la durée et la variabilité (variation temporelle des débits). Étant définie comme une propriété intrinsèque du débit, chaque caractéristique joue un rôle précis dans le fonctionnement des écosystèmes fluviaux. Elle peut être spécifiée par de nombreuses variables hydrologiques qui sont des variables statistiques calculées à partir des séries hydrologiques (ensemble des mesures de débits à une échelle temporelle donnée) [5]. Pour déterminer les facteurs de la variabilité spatio-temporelle des débits à une échelle donnée, il faut tenir compte de toutes les caractéristiques des débits à cette échelle [10]. Cependant, le nombre des caractéristiques dépend de l'échelle d'analyse [10]. À l'échelle saisonnière, on ne peut définir que les quatre caractéristiques suivantes : magnitude, fréquence, période d'occurrence des débits moyens mensuels maximums et minimums et variabilité de la magnitude. Toutefois, Assani et al. [10] ont démontré que la magnitude et la fréquence sont corrélées et peuvent donc être définies par les mêmes variables hydrologiques. Finalement, ces quatre caractéristiques ont été définies au moyen de 16 variables hydrologiques (tableau 1) :

• – les variables relatives au volume d'écoulement (magnitude) des débits mensuels et saisonniers : HIV, PRI, ETE, AUT, MAM et MIM. Afin de réduire la dimension de la matrice des données à analyser, nous avons préféré grouper les mois en saisons. Les douze mois ont été regroupés en quatre saisons classiques : hiver (HIV), printemps (PRI), été (ETE) et automne (AUT). Par ailleurs, ces variables sont exprimées en pourcentage par rapport au débit annuel total. Cette transformation permet une meilleure comparaison des données de bassins-versants de différentes tailles ;
• – les variables qui caractérisent les mois d'occurrence des débits mensuels moyens maximums et minimums : DMAM et DMIM. Pour inclure ces deux variables dans l'analyse, nous avons attribué une cote à chaque mois : 1 pour le mois de janvier et 12 pour le mois de décembre ;
• – les variables qui caractérisent la variabilité intersaisonnière des débits : PRI/HIV, PRI/ETE, ETE/HIV, AUT/ETE, AUT/HIV, CI et CV. Ces 7 variables définissent le caractère « contrasté » et « pondéré » du cycle annuel des débits. La variable CI (coefficient d'immodération) – le rapport entre MAM et MIM – permet de définir la notion de « pondération ou d'immodération ». Elle mesure l'amplitude de fluctuations du niveau d'eau à l'échelle annuelle. En d'autres termes, la pondération ou l'immodération mesure l'écart entre les débits extrêmes mensuels. Quant à la variable CV, elle définit la notion de « contraste » d'un régime hydrologique. Un régime hydrologique est dit « contrasté », s'il est caractérisé par une forte variabilité des débits d'un mois à l'autre à l'échelle annuelle (variabilité intra-annuelle). Ces deux variables sont importantes en écologie aquatique. Ainsi, Fleming a pu démontrer qu'en Colombie Britannique notamment, la répartition par espèces des poissons est influencée par la pondération et le contraste des régimes hydrologiques [11]. Les rivières à régime glaciaire avaient moins d'espèces que les rivières à régime nival, plus contrasté mais moins pondéré. Mentionnons que les valeurs de la variable CI furent transformées en logarithme afin de les normaliser ;
• – enfin, la dernière variable « nombre des mois sans écoulement mesurable ou débit nul à la station » (MSE) permet de décrire le caractère temporaire ou permanent de l'écoulement. Cet aspect est très important en écologie aquatique car il donne une indication précieuse sur la durée de l'interruption temporaire des cycles des organismes aquatiques dans un cours d'eau.

Il convient de noter que le concept de « régime des débits naturels » met l'accent sur les caractéristiques des débits et non sur les variables hydrologiques qui les définissent. Par conséquent, la classification que nous proposons tient compte de toutes les caractéristiques des débits qu'on peut définir à l'échelle saisonnière. Par ailleurs, comme il existe un décalage des saisons entre les deux hémisphères, nous avons au préalable éliminé l'effet de ce décalage en faisant correspondre les mêmes saisons de deux hémisphères. Ainsi, l'hiver boréal (janvier-mars) va correspondre à l'hiver austral (juillet-septembre), le printemps boréal (avril-juin) au printemps austral (octobre-décembre), l'été boréal (juillet-septembre) à l'été austral (janvier-mars), ainsi de suite. De même, nous avons fait correspondre aussi les rapports saisonniers des débits.

Tableau 1 Variables hydrologiques saisonnières et mensuelles utilisées pour classifier les régimes hydrologiques naturels.

Analyse statistique des données

• – la première étape a consisté à regrouper les stations analysées en régimes hydrologiques saisonniers sur la base des 16 variables hydrologiques. Il existe une panoplie des méthodes de classification des régimes hydrologiques. Mais en tenant compte du nombre élevé des variables hydrologiques analysées, nous avons choisi la méthode de classification hiérarchique ascendante de Ward. Elle possède l'avantage de rechercher à chaque étape une partition telle que la variance interne de chaque classe soit minimale et, par conséquent, la variance entre les classes maximales [12] ;
• – enfin, à la dernière étape, pour chacune des 16 variables hydrologiques, nous avons comparé, d'abord, simultanément les moyennes des régimes hydrologiques définis à l'étape précédente au moyen de l'analyse de variance à un critère de classification. Ensuite, si ces moyennes étaient significativement différentes, nous avons appliqué le test de Tukey [13] pour comparer les moyennes de tous les régimes mais deux à deux (méthode d'appariement). Cette comparaison avait pour but de valider les régimes hydrologiques définis par la méthode de classification de Ward. Elle a permis ainsi de caractériser quantitativement chaque régime hydrologique au moyen de 16 variables hydrologiques analysées. Ces dernières peuvent être utilisées comme des indices pour le suivi des changements hydrologiques induits par les changements environnementaux.

Résultats

Les moyennes, et leurs écarts types, de 16 variables hydrologiques analysées sont consignés dans le tableau 4 :

• – le régime A est caractérisé par un écoulement relativement abondant toute l'année. En effet, les coefficients d'écoulement saisonniers dépassent 20 % durant les quatre saisons (figure 2A). Ainsi, le régime est peu contrasté et modéré. Les débits maximums peuvent survenir aussi bien en été qu'en automne hémisphérique. Ce régime caractérise principalement les régions très pluvieuses des bassins des fleuves Congo et Nil (en amont du barrage d'Assouan au Soudan) et du golfe de Guinée (zone des moussons). Il est aussi observé sur les Hauts Plateaux de l'Afrique orientale et sur l'île de Madagascar (figure 3). C'est le régime typique du climat équatorial et de Hauts Plateaux bien arrosés durant toute l'année ;
• – le régime hydrologique B est principalement caractérisé par une baisse relativement importante des débits en hiver hémisphérique en raison d'une récession pluviométrique marquée (figure 2B). Les débits maximums mensuels surviennent exclusivement en été. La variabilité des débits à l'échelle annuelle devient plus importante que dans le régime précédent. Le régime B est observé exclusivement dans la région tropicale humide de l'hémisphère sud (figure 3) ;
• – en régime C, les débits maximums surviennent en automne et les débits minimums, au printemps. Deux saisons (hiver et printemps) ont des valeurs de coefficients d'écoulement inférieures à 10 %. Cela dénote l'existence de deux saisons, l'une de pluies et l'autre sèche, bien tranchées. Ce régime est observé exclusivement dans l'hémisphère nord sur des grands cours d'eau comme l'Oubangi, le principal affluent du fleuve Congo dans la cuvette centrale (figure 2C) ;
• – le régime hydrologique D est le plus répandu en Afrique dans les deux hémisphères. Il se distingue fondamentalement du régime C par l'occurrence des débits maximums en été (figure 2D). Il caractérise le climat tropical avec trois à cinq mois de saison sèche ;
• – les régimes hydrologiques E et F sont caractérisés par une forte concentration de l'écoulement en été (figures 2E et 2F). La valeur du coefficient d'écoulement estival dépasse 60 %. Il en résulte une très forte variabilité intermensuelle des débits. Ce sont les deux régimes les plus contrastés de l'Afrique. L'écoulement automnal du régime E est plus abondant que celui du régime F. Cette différence s'explique par la durée de la saison sèche et l'occurrence des mois sans écoulement. Ces deux régimes sont caractéristiques du climat tropical sec avec une saison sèche qui dure plus de 5 mois ;
• – en régime hydrologique G, l'écoulement devient relativement abondant en automne et en hiver en raison du long parcours de l'eau provenant des régions pluvieuses situées à la tête du bassin-versant. Ce régime hydrologique est observé exclusivement sur le fleuve Niger dans la région sahélienne (figure 2G).
• – le régime H est le second régime en Afrique caractérisé par un écoulement relativement abondant durant toute l'année. En effet, les valeurs des coefficients d'écoulement saisonniers sont supérieures à 10 % durant les quatre saisons (figure 2H). Le régime devient ainsi pondéré et peu contrasté. On l'observe quasi exclusivement sur les Hauts Plateaux de l'Afrique australe. La hausse des débits en hiver serait associée aux précipitations d'origine orographique. Le caractère tropical du régime est souligné par un écoulement relativement abondant en été austral ;
• – enfin, le régime I est le régime typiquement méditerranéen avec un écoulement très abondant en hiver mais très faible en été (figure 2I). On l'observe dans les régions septentrionale et australe de l'Afrique. Lorsqu'on quitte la zone tropicale, la dynamique pluviométrique change. L'influence des alizés sur la pluviométrie s'estompe au profit de celle des vents d'ouest. Ceux-ci apportent ainsi des fortes précipitations en hiver hémisphérique. L'été devient une saison sèche.

Conclusion

Références

2 Assani AA, Tardif S. Classification, caractérisation et facteurs de variabilité spatiale des régimes hydrologiques naturels au Québec (Canada). Approche Éco-géographique. Rev Sci Eau 2005 ; 18 : 247-66.

3 Musy A, Higy C. Hydrologie. Une science naturelle. Lausanne : Presses polytechniques et universitaires Romandes, 2003.

4 Poff NL. A hydrogeography of unregulated streams in the United States and an examination of scale-dependance in some hydrological descriptors. Freshwater Biol 1996 ; 36 : 71-91.

5 Assani AA, Tardif S, Benseghir S, Chalifour A, Mesfioui M. Développement d'une nouvelle méthode de régionalisation basée sur le concept de “régime des débits naturels » : La méthode éco-géographique. Rev Sci Eau 2006 ; 19 : 365-80.

6 Hubert P, Carbonel JP, Chaouche A. Segmentation des séries hydrométéorologiques. Application à des séries de précipitations et de débits de l'Afrique de l'ouest. J Hydrol 1989 ; 110 : 349-67.

7 Servat E, Paturel JE, Lubès-Niel H, et al. De différents aspects de la variabilité de la pluviométrie en Afrique de l'ouest et centrale non sahélienne. Rev Sci Eau 1999 ; 12 : 363-87.

8 Ritcher BD, Baumgartner JV, Powell J, Braun DP. A method for assessing hydrologic alteration within ecosystem. Conserv Biol 1996 ; 10 : 1163-74.

9 Poff NL, Allan JD, Bain MB, et al. The natural flow regime. A paradigm for river conservation and restoration. BioScience 1997 ; 47 : 769-84.

10 Assani AA, Tardif S, Lajoie F. Statistical analysis of factor affecting the spatial variability of annual minimum flow characteristics in a cold temperate continetal region (southern Québec, Canada). J Hydrol 2006 ; 328 : 753-63.

11 Fleming SW. Comparative analysis of glacial and nival streamflow regimes with implications for lotic habitat quantity and fish species richness. River Res Applic 2005 ; 21 : 363-79.

12 Lebart L, Morineau A, Piron M. Statistique exploratoire multidimensionnelle. Paris : Dunod, 2004.

13 Legendre P, Legendre L. Numerical Ecology. Amsterdam : Elsevier, 1998.