VII. METHODES DE SURVEILLANCE DE L'EROSION DU SOL DANS L'AMENAGEMENT DES BASSINS VERSANTS EN TANZANIE

par

Anders Rapp

Secrétariat de la Société internationale d'Ecologie, Suède (SIES)1/

1. INTRODUCTION

Une étude approfondie, qui a fait l'objet d'un rapport de Rapp, Berry et Temple (1972), a été entreprise sur l'un des projets de recherche des Universités de Dar-es-Salaam et d'Uppsala en matière d'érosion des sols, afin de réunir des informations fiables sur les types, l'étendue et les taux d'érosion-sédimentation en Tanzanie. Le présent document rend compte de quelques unes des techniques utilisées pour mesurer l'érosion et la sédimentation, ainsi que des résultats obtenus dans deux périmètres du projet sélectionnés à cet effet.

Les périmètres étudiés relèvent de deux zones écologiques: (1) pentes montagneuses abruptes, cultivées, à cours d'eau pérennes; (2) plaines de savane semi-arides à saison sèche prolongée et cours d'eau saisonniers, où l'eau fait fortement défaut. (Voir tableaux 1 et 2). La zone 1 est représentée par un bassin versant de 19,1 km² dans les monts Ulangura; la zone 2 par les plaines semi-arides avec "inselberg" 2/ de la région de Dodoma, où ont été étudiés les bassins de Ikowa, Msalatu, Imagi et Matumbulu.

2. ECHANTILLONNAGE DU RUISSELLEMENT ET DES SEDIMENTS DANS LE MOROGORO

Le débit du Morogoro est extrêmement discontinu, avec des points de crue instantanées: le flot monte dans le débitomètre en moins d'une minute et s'y maintient aussi longtemps que la tornade s'abat sur le bassin, pour redescendre ensuite graduellement à son niveau de base. La durée de cette crue est de l'ordre de 65 à 90 minutes.

Lors de chacune de ces phases de ruissellement, la station de jaugeage enregistre deux types de matériaux de charriage en suspension: les matériaux provenant du lit du cours d'eau, et ceux arrachés aux pente du bassin. Dans les bassins à versants abrupts, les matériaux provenant du chenal sont probablement transportés au delà de la station par les pluies d'orage. Pour établir la bilan de l'érosion des pentes du bassin, il est nécessaire de prélever des échantillons pendant toute la saison des pluies. Si lion se sert d'un échantillonneur automatique, il faudra opérer ces prélèvements à la fois au début et à la fin des crues subites, de façon à avoir un tableau complet non seulement quantitatif, mais aussi qualitatif des matériaux charriés, qu'ils proviennent du chenal ou des pentes.

1/ Secrétariat for International Ecology, Sveav. 166 15 5-113-46, Stockholm.

2/ Un "Inselberg" est une formation tabulaire isolée par l'action géologique érosive, subsistant sur la pénéplaine.

Tableau 1. Pluviométrie enregistrée à la station de Morogoro (alt. 530 m) et de Morningside (alt. 1 450 m) - Evaporation potentielle à la température ambiante moyenne (Eo) et mesure du plafond nuageux de 1947 à 1960, d'après Woodhead, 1968 (Réf. 14). Données de l'East African Meteo.Dept.

Tableau 2. Données climatiques enregistrées à la Station météo de Dodoma (lat. 6º10'S, long. 3504619, alt. 1 120 m). moyennes des pluies en mm pour 30 et 42 ans (respt. 1931-60 et 1929-70) - Moyenne des temp. ambiantes, vitesse du vent, plafond nuageux et évaporation (EO) sur 10 ans (1955-64). Sources des données: E.A. Met.Dept, 1966, Archives E.A. Met.Dept. et Woodhead 1968 (Réf. 14).

Le ruissellement et les débits solides ont été mesurés en 1969-71 à une station de jaugeage équipée d'un déversoir trapézoïdal (Cipoletti). La plupart des mesures de débit solide ont été faites avec une turbisonde manuelle du type Uppsala (voir dans Nilsson, 1969). L'appareil, qui prélève un litre d'échantillon, est facile à fabriquer à partir de matériel qu'on peut se procurer aisément (Figure 1) 1/. Cependant, la prise manuelle d'échantillons s'est révélée difficile pour capter les pointes de crue violentes du Morogoro, qui sont irrégulières, de brève durée et souvent nocturnes, Pour cette raison, on n'a pu échantillonner ni analyser un grand nombre de pointes de crue, bien que les observations aient été suffisantes pour donner l'échelle des concentrations de sédiment à différentes phases de la crue. La Figure 2 montre deux séries complètes d'échantillons de crues subites, à 5 minutes d'intervalle, où l'on a comparé le débit écoulé aux concentrations de matériaux en suspension, Les deux séries révèlent un mécanisme identique: (a) un débit de base initial faible, avec peu de sédimentation; (b) puis une montée rapide, en 10 à 30 secondes seulement, au plus haut niveau qui s'est maintenu à peu près pendant une demi-heure et une demiheure après la pluie; (c) une régression du débit. Pendant les premières minutes de la crue, les échantillons d'eau contenaient environ 2 000 à 3 50O g/m³ (ou mg/1) de sédiment, avec une teneur élevée de sable moyen et pou de matériaux plus fins, qui provenait évidemment du lit du torrent; d'autre part, les échantillons du gros de la crue et de sa phase descendante contenaient une plus grande proportion de fines particules colloïdales brunôtres, qui étaient très vraisemblablement des matériaux lessivés sur les pentes.

Figure 1. Turbisonde manuelle Pour recueillir des échantillons de sédiments en suspension, à bec interchangeable de fabrication locale. Des bouteilles de plastique d'un litre servent de récipients pour les échantillons. (Appareil mis au point par Nilsson, voir réf. 4). on trouvera les détails dans B, Nilsson (Réf. 4)

En 1971, nous avons essayé un échantillonneur automatique de débits solides du type Hayim 7, mais, par suite de difficultés pratiques de personnel et de montage, nous n'avons pas pu l'utiliser à Morogoro. Plus tard, il a été installé dans le bassin de Msalatu, dans la région de Dodoma.

3. PRELEVEMENT AUTOMATIQUE D'ÉCHANTILLONS DANS LA PROVINCE DE DODOMA

L'échantillonneur automatique Hayim 7 était installé à environ 150 mètres de la tête d'une retenue sur le bassin de Msalatu, dans le lit sableux d'une ravine étroite à parois escarpées et encroûtées (Fig. 3A). Cet appareil a été conçu àl'origine pour les oueds désertiques, où les crues sont violentes -et de brève durée (détails dans Schick, réf. 7). C'est une modification de l'échantillonneur automatique standard de sédiments pour une seule phase de la crue, mis au point aux Etats-Unis. Chaque bouteille recueille des échantillons d'un litre pendant la phase ascendante d'une crue, à douze intervalles de 5 cm au-dessus du lit du torrent.

La Figure 3B montre l'intérieur de l'appareil, Douze bouteilles de plastique sont montées dans un coffrage de tôle. L'entrée d'air dans la bouteille a 7 mm de diamètre intérieur et 9 mm de diamètre extérieur. L'air s'échappe de la bouteille par des tubes de plastique enfermés dans un tuyau d'échappement fixé sur le haut du bâti, La durée de remplissage est d'environ une minute par échantillon (Schick, information personnelle).

Le contrôle des bouteilles après deux crues subites a montré une sédimentation variant de 15 000 à 75 000 g/m³ (ou mg/1). Des concentrations similaires, observées lors de crues subites des ouadi du Negev avec une autre turbisonde automatique Hayim, ont donné des chiffres de 10 000 à 131 000 g/m³, (8). Les concentrations de sédiments dans les échantillons de Msalatu sont dans les mêmes limites que ceux mesurés par Staples, dans 1 'eau de ruissellement de parcelles érodées à Mpwapwa: là, la moyenne des concentrations annuelles en deux ans de relevés a été de 25 000 à 87 000 g/m³ (réf. 11). Dans ces derniers chiffres sont inclus les matériaux en suspension et ceux de charriage issus du lessivage des pentes sur des parcelles érodées de 50 mètres carrés.

Les dimensions des particules des débits solides dans le chenal indiquent un charriage "tout venant", contenant de l'argile (25-40%), du limon (30-50%) et du sable (15-50%). La proportion élevée d'argile et de limon indique que la plus grande partie des matériaux en suspension ne vient pas du lit sableux du chenal, mais des zones situées entre les ravines, ou des parois de celles-ci. En poursuivant ces relevés, on pourra établir quelle est la plus importante de ces sources possibles.

Figure 2. Chute d'eau à Morningside (mm/30 mn), niveau de Peau et matériaux en suspension dans le Morogoro relevés à la station de jaugeage au cours de trois crues instantanées les 23, 28 et 30 mars 1970. La courbe de niveau d'eau a été enregistrée automatiquement et lue sur 1 l'hydromètre.

 

Figure 4. Photo aérienne oblique du barrage et de la retenue d'Ikowa, montrant la sédimentation. La surface sombre, en forme de delta, que l'on voit à l'extrémité supérieure est le fond de la retenue réservoir, avec ses dépôts argileux découverts. Au centre, la grande tache circulaire est l'inselberg de Mtwango, avec son boi sement de Miombo (plus sombre). Le niveau de la retenue est à 2,26 m au-dessous de sa pleine capacité. (Photo A. Rapp, 25 Sept. 1971).

4. ANALYSE DES ECHANTILLONS DE SEDIMENTS

Dans nos expériences, les échantillons d'un litre ont été filtrés sur ravier-filtre Whatman Nº 40 (la quantité de particules en suspension passées à travers le papier filtre a été négligeable). Après étuvage, puis pesée, la sédimentation a été calculée d'après la différence de poids du papier avant et après filtration. C'est une méthode assez imprécise quand il y a peu de dépôt, mais acceptable quand la sédimentation est supérieure à 1 000 g/m³.

5. RELEVES DE SEDIMENTATION ET D'EROSION

Les plaines à inselberg de la province de Dodoma, comme beaucoup d'autres régions semi-arides, connaissent des pluies irrégulières, des périodes de sécheresse, le surpâturage et des famines répétées (1, 10), Les cours d'eau sont éphémères et l'on ne dispose pas d'enregistrements antérieurs des débits des petits cours d'eau portant sur une longue durée. Aussi, notre étude sur l'érosion pluviale et la sédimentation ne pouvait pas être basée sur des sondages dans les torrents, comme pour le Morogoro, mais devait s'axer sur des relevés d'atterrissements dans les lacs de retenue, combinés avec des recensements de l'érosion des bassins versants, tels que décrits ci-après.

5.1 Relevés d'atterrissements dans les retenues de barrages

Les lacs naturels et artificiels sont de véritables pièges à sédiments et emmagasinent une partie des matériaux arrachés par l'érosion au bassin versant (Fig. 4). Le volume des atterrissements déposés au fond des retenues des quatre bassins de la province de Dodoma a été calculé au moyen de relevés "en coupe" à travers les réservoirs pendant la saison sèche, Les relevés s'effectuent par sondages à la main, depuis un bateau en caoutchouc. (Voir aussi l'article de Rausch et Heinemann dans ce Guide, Vol. 2, Chapitre IV, sur les relevés dans les retenues). Le volume du dépôt est calculé par comparaison avec des cartes et coupes précédentes. La Figure 5 donne les résultats de l'enquête sur le réservoir de Matumbulu, à titre d'exemple. Pendant la période 1962-1971, les atterrissements se sont accumulés dans cette retenue au taux de 13 200 m² par an pour totaliser 119 000 m². A ce taux, on ne peut attendre de la retenue qu'une espérance de vie de 30 ans.

Nous avons estimé intéressant de comparer le rapport sédimentation/ superficie drainée entre 73 bassins versants semi-arides du Wyoming (ouest des E.U.), d'après les études de Schumm et Hadley (9), et les 5 bassins de Tanzanie. Ces derniers ont tous une sédimentation plus élevée que les bassins américains, bien que le régime pluviométrique soit analogue. Le bassin de Matumbulu sort de la moyenne des 4 autres, avec un taux d'atterrissement particulièrement élevé vu ses dimensions, Du graphique publié ici (Fig. 6), les responsabilités de l'hou e dans l'érosion, dues à des différences dans l'utilisation du sol, ressortent avec évidence.

5.2 Recensement de l'érosion

Pour pouvoir appréhender le mécanisme de l'érosion et son intensité, il est nécessaire de compléter les études sur la sédimentation dans les réservoirs par l'inventaire des sources d'érosion et des causes d'atterrissements dans le bassin. Un recensement de l'érosion a pour objet de localiser les secteurs atteints et les dépôts, de distinguer le type d'érosion et, si possible, son intensité. L'importance relative des différents types d'érosion est en effet fondamentale pour pouvoir élaborer une stratégie rationnelle de conservation.

Dans la présente étude, les inventaires ont été effectués par interprétation de photographies aériennes et par contrôle au sol, principalement en relevant les profils des pentes, depuis le fond du thalweg jusqu'au sommet Ces profils rendent compte de l'inclinaison de la pente, de la couverture végétale, de la nature des sols et de leur utilisation, des formes d'érosion et d'atterrissements. La cartographie de l'utilisation des terres, ainsi que des zones d'érosion et de sédimentation, a été effectuée sur quatre bassins versants de la province de Dodoma par interprétation des photographies aériennes dont on disposait depuis 1960. Les superficies des bassins et les pourcentages des différents types de terres ont été mesurés sur ces cartes, puis traités à l'ordinateur. La Figure 7 donne un exemple de carte relevée d'après un recensement de l'érosion dans le bassin de Matumbulu.

La Figure 8 reproduit trois cartes où sont illustrés les principaux types d'érosion. Ces observations sur le terrain soulignent la nécessité des mesures de conservation à prendre pour enrayer l'érosion, telles que: mise en défense des herbages, terrassement, cultures de couverture, paillage, forêts de protection, lutte contre l'érosion consécutive à la construction de routes, et autres pratiques de protection des bassins versants.

Figure 5. Réservoir de Matumbulu - Profils en long de 1960, 1969, 1970 et 1971 - Relevés de 1960 par WD & ID, les autres années par DUSER. Noter la rupture de pente du delta au niveau du remplissage maximum (volume de crue).

SUPERFICIE DRAINER (en square miles)

Figure 6. Relation entre la sédimentation moyenne annuelle et la superficie drainée des cinq bassins versants de Tanzanie (petits cercles sur le graphique), comparée à 73 bassins semi-arides du Wyoming oriental aux E.U. (points), ces derniers relevés d'après Schumm et Hadley, 1961. Les données des bassins Ik (Ikowa), Ms (Msalatu) et Im (Imagi), les plus anciennement enregistrées en Tanzanie, y ont les caractéristiques écologiques les plus voisines. On les a reliées par un trait interrompu. La diminution de la sédimentation avec l'augmentation de la superficie drainée est évidente dans les deux groupes. quoique moins marquée dans les bassins tanzaniens. (1 acrefoot - 1233,5 m³. 1 square mile - 2,6 km². Sur la droite du graphique, on a porté la sédimentation en m³/km²).

 

Figure 7. Exemple de carte d'utilisation des terres, de l'érosion et de la sédimentation du bassin versant de Matumbulu. On remarquera les dépôts des piémonts supérieurs ravinés, avec érosion intense en nappe; les biefs inférieurs cultivés; les lits torrentiels avec les cônes alluviaux de sable; la sédimentation dans la retenue. (D'après les études de A. Rapp, D.H. Murray-Rust, C. Christiansoon et L. Berry).

6. RESULTATS ET RECOMMANDATIONS

Dans les cas étudiés ici, les taux de sédimentation dans les retenues correspondent à un "rendement" de 200 à 730 m³/km², moyenne calculée sur les périodes les plus longues de relevés disponibles. Les chiffres du rendement par km² diminuent avec l'augmentation de la superficie drainée, en raison de la sédimentation dans le bassin. Par conséquent, les rendements de sédiments dans de petits bassins versants de quelques kilomètres carrés de superficie reflètent plus exactement l'érosion du bassin.

Le processus érosif le plus important dans les bassins versants semiarides de Dodoma et dans ceux d'Arusha est l'érosion diffuse, en nappe, sur des terrains surpâturés et des cultures non protégées. L'érosion par ravinement est probablement liée à des tornades peu fréquentes, mais extrêmement violentes. Les études aux fins de déterminer quand et comment les ravines se produisent, également comment elles fonctionnent comme voies de drainage des eaux et des sédiments, devront être poursuivies pour permettre de trouver des méthodes efficaces de défense contre le ravinement.

Les relevés dans les retenues de barrages pour étudier le taux et le type d'atterrissements, ainsi que pour calculer l'espérance de vie de ces réservoirs, devraient être de pratique normale pour toutes les retenues existantes dans les zones semi-arides, comme bien entendu pour celles que l'on prévoira de construire à l'avenir. Les cartes et profils des réservoirs devront être levés et les jalons de sédimentation mis en place dès le début d'un projet de développementt afin que l'on puisse plus tard comparer les incidences que le projet a eues sur le périmètre.

Dans les bassins versants semi-arides, l'amélioration de la gestion des pâturages reste la plus sûre méthode, d'une manière générale, pour réduire l'érosion des sols et augmenter la vie des réservoirs de barrage.

En résumé, nous recommandons de poursuivre et de développer les études sur les bilans de l'eau et des dépôts dans les bassins versants de toute dimension des régions semi-arides. Ces études fourniront la base d'une meilleure approche des problèmes suivants:

a) Echelle des pertes d'eau, de sol, et d'éléments fertilisants des végétaux sur des périmètres dont l'utilisation des terres varie, comparée à des pâturages bien gérés.

b) Importance d'évènements érosifs catastrophiques dûs à de violentes tornades occasionnelles, par comparaison avec les pertes moyennes annuelles. Etudier tout particulièrement les problèmes de l'érosion en ravines par rapport à celle en nappe.

c) Temps nécessaire à la restauration du sol, de la végétation et de l'économie, après une érosion excessive.

d) Pratiques de conservation les meilleures et les moins coûteuses sur des terres semi-arides: exécution et entretien dans une perspective à long terme.

e) Taux de sédimentation dans les retenues; répartition, texture et structure des dépôts. Ces études fournissent des renseignements importants dans beaucoup de domaines: notamment sur l'érosion dans le bassin, la prédiction de vie utile de la retenue, l'emploi éventuel de réservoirs remplis de sable pour emmagasiner l'eau souterraine.

Figure 8. Ces trois cartes montrent trois types d'érosion sur des pentes déboisées et cultivées de montagnes tropicales: ici les Monts Uluguru en Tanzanie.

Carte I. Entre 1966 et 1970, le lessivage moyen des pentes cultivées a causé la perte de 7 500 t de terre/an, mesurée dans les matériaux en suspension dans le Morogoro. (D'après Rapp et al 1972).

Carte II. Sur le même bassin versant, de gros glissements de terrain en avril 1973, ont bloqué l'alimentation d'eau de la ville de Morogoro, colmaté les tuyaux et perturbé la distribution d'eau pendant des semaines. (D'après Lundgren et Rapp, 1974).

Carte III. Le 23 févr. 1970, des pluies violentes (100 mm) ont provoqué de ,ombreux glissements de terrain. De rares ébóulements ont-été signalés dans la réserve forestière, mais plus de 800 sur les pentes déboisées, en aval des lisières de la réserve.

7. REMERCIEMENTS

Nous tenons à exprimer tout particulièrement nos remerciements à M. A. Kesseba et à ses adjoints du Département de chimie agricole (Morogo), à V. Axelsson et à H. Kuschel (Dodoma) pour leur précieuse contribution à la présente étude.

Note de l'éditeur FAO:

Les documents originaux fournis par l'auteur ont été revus par la Rédaction et sélectionnés d'après plusieurs rapports de manière à mettre en relief les techniques utilisées, plutôt que les résultats en eux-mêmes. Pour plus amples détails, le lecteur trouvera dans la bibliographie ci-après le titre des rapports originaux avec leur numéro de référence correspondant.

REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES