ÉTUDE DES PROCESSUS PHYSIQUES D'ÉROSION ÉOLIENNE  DANS LE SUD TUNISIEN: LE CAS DES SURFACES AGRICOLES

23èmes

Journées Scientifiques  de l’Environnement, Hôtel du Département,31 janvier 2012

G. Bergametti1, M. Labiadh1,2, M. Kardous1,2

et C. Bouet1,3

1

Laboratoire Interuniversitaire des Systèmes Atmosphériques (LISA)UMR CNRS 7583, Universités Paris Diderot et Paris Est Créteil , France2

Institut des Régions Arides, Médenine, Tunisie3

IRD‐BIOEMCO

SaltationSandblasting

Vertical flux F

Surface wind

Horizontal flux G

Quand 

le 

vent 

souffle 

suffisamment 

fort

au 

dessus 

d’un 

sol  entièrement 

ou 

partiellement 

nu,    la 

couche 

superficielle 

de 

ce sol se met en mouvement.

SaltationSandblasting

Vertical flux F

Surface wind

Horizontal flux G

Lorsque 

les 

grains 

du 

sol 

mis 

en 

mouvement 

par 

le 

vent  retombent 

à la 

surface, 

les 

chocs 

permettent 

l’explosion 

des 

agrégats

du sol libérant de plus fines particules qui sont alors  émises dans l’atmosphère et transportées au loin.

Les zones désertiques  de la planète (zones arides et  semi‐arides) 

sont 

particulièrement 

sensibles 

à l’érosion 

éolienne 

et 

sont 

donc 

les 

principales 

sources 

d’aérosols  désertiques

Sahara Arabie

Australie

Taklamakan

NamibieAtacama

Patagonie

Chihuahua

Gobi

Asie mineure

Sahel

1500 Mt/ande poussières désertiques sont 

injectées dans  l’atmosphère

Les 

plus 

fines 

particules 

(quelques 

micromètres) 

ainsi  produites sont appelées «

aérosol désertique

».

Aérosol désertique (Niger)Crédit photos: M. Sabre (Lisa)

argiles majoritaires (illite,  kaolinite, …),  quartz, 

calcite…

…

Compte‐tenu 

de 

leur 

taille 

micronique, 

ces 

aérosols  peuvent être transportés sur de très longues distances.

Photo 

prise 

par 

le 

satellite  (SeaWiFS) 

le 

26 

février 

2000 

d’un 

nuage 

très 

dense 

de 

poussières  expulsées 

depuis 

les 

côtes 

africaines et pénétrant de près de  2000 km sur l’Atlantique Nord.

(Crédit 

photo: 

NASA 

DAAC/GSFC 

and 

the 

NASA 

SeaWiFS project.)

L’impact radiatif des poussières

Diminution  du 

rayonnement  incident 

atteignant la  surface 

( 40 %)

Réchauffemen t de 

l’atmosphère

Solar radiation

Earth radiation

Back scattering absorption

absorption

Le rôle des aérosols désertiques dans le système  climatique

une des principales incertitudes sur l’évolution future du climat

IPPC, 2001

Apports de nutriments au milieu marin

Les 

retombées 

de 

poussières  désertiques 

dans 

les 

zones 

le 

plus 

éloignées 

de 

l’océan  mondial 

constituent 

une 

source 

majeure 

de 

nutriments  présents 

en 

quantité

limitée 

comme le Fe, P …

Tempête de sable 

Texas, 1935

Tempête de sable,Afrique de l’ouest,26 février 2000

Conséquences en régions source

Crédit photos: M. Kardous, IRA, Tunisie

L’ensablement

la visibilité

Crédit photos: M. Kardous, IRA, Tunisie

Crédit photos: M. Kardous, IRA, Tunisie

L’érosion des sols

Dust storm 1983‐02‐08Melbourne (Australia)

Site Soil Type

Wamberra Sand

Box Creek Clay Loam

Montarna Sandy Loam

Total N (%) 0.226 0.16 0.153

Total P (%) 0.038 0.029 0.034

N enrichment ratio

19 2 2

P enrichment ratio

5.7 1.9 2.4

Mass fraction 0.003 0.11 0.06

Soil Nutrients content 

D < 44 µm

Total loss of top soil M=2 Million t

Total loss of N M*0.0017=3400 t

Total loss of P M*0.000055=110 t

Cost of fertilizer (N:P:K=32:10:0)

0.37 $

Cost of N 3.9 Million $

Cost of P 0.4 Million $

Evaluation of Costs

Pertes en nutriments dans les régions source

Seuil d’érosion

Energie minimale pour initier 

le mouvementEnergie éolienne 

effectivement transmise

Forces de maintien au sol :Poids de la particule, PForces de cohésion inter‐

particulaire, Ip

Humidité des sols= Forces de cohésion, Fc

Eléments de rugosité(cailloux, graviers, végétation pérenne …) 

= Partition de l’énergie éolienne feff

= f(Z0

)

Végétation annuelle= Variation de rugosité

Force de friction du ventForce de friction totale

Zone

s arides

Zone

s semi‐a

ride

s

Précipitations

dissipation

Force de friction en 

surfacedissipation

~ 80-90 µm

U*≈

20 cm.s-1

Surfaces lisses, sols meubles et secs 

From Shao et Lu, 2000

Seuil d’érosion    effet de la taille des grains du sol

Hypothèses: sphéricité, densité

Soit une vitesse de  vent à 10 m d’environ 6 m.s‐1

pour une surface lisse

U(z) 

= (U*/k) log (z/z0

)

Seuil d’érosion

Energie minimale pour initier 

le mouvementEnergie éolienne 

effectivement transmise

Forces de maintien au sol :Poids de la particule, PForces de cohésion inter‐

particulaire, Ip

Humidité des sols= Forces de cohésion, Fc

Eléments de rugosité(cailloux, graviers, végétation pérenne …) 

= Partition de l’énergie éolienne feff

= f(Z0

)

Végétation annuelle= Variation de rugosité

Force de friction du ventForce de friction totale

Zone

s arides

Zone

s semi‐a

ride

s

Précipitations

dissipation

Force de friction en 

surfacedissipation

Force de friction totale (« Total shear stress »)

τ = ρ u*2

absorbé τaτs la force de friction appliquée à la surface érodable

τ

= τa

+ τs

absorbé τa

Seuil d’érosion sur une surface rugueuse

Marticorena and Bergametti, JGR, 1995

Seuil d’érosion

Energie minimale pour initier 

le mouvementEnergie éolienne 

effectivement transmise

Forces de maintien au sol :Poids de la particule, PForces de cohésion inter‐

particulaire, Ip

Humidité des sols= Forces de cohésion, Fc

Eléments de rugosité(cailloux, graviers, végétation pérenne …) 

= Partition de l’énergie éolienne feff

= f(Z0

)

Végétation annuelle= Variation de rugosité

Force de friction du ventForce de friction totale

Zone

s arides

Zone

s semi‐a

ride

s

Précipitations

dissipation

Force de friction en 

surfacedissipation

Seuil d’érosion: validation en conditions réelles

Marticorena et al., J. Geophys. Res., 1997b

Vitesse de friction seuil en fonction de la hauteur de rugosité

(sol  meuble) : U*t

= f(Z0

,Dp

)

0

50

100

150

200

250

0.000001 0.00001 0.0001 0.001 0.01 0.1 1Roughness length (cm)

Thr

esho

ld w

ind

fric

tion

velo

city

(cm

.s-1) Loose sandy soils

Loose sand on crust

Disturbed sand

Loose silty soils

Disturbed silty soils

Loose gravelly soils

Disturbed gravel

Disturbed clayey

Disturbed salty soils

High organic clay

Model

Déserts de Chine et Mongolie

Sahara et Moyen‐Orient

Laurent et al., J. Geophys. Res., 2005

Laurent et al., J. Geophys. Res., 2008

Cartographie de la rugosité

aérodynamique des zones arides

log (Z0

)

log (Z0

)

Laurent et al., JGR, 2008 

Pourquoi les zones semi‐arides?

L’évolution future du contenu en poussières de  l’atmosphère résultera principalement des 

changements attendus dans les zones semi‐arides :

‐

facteurs liés au changement climatique (vents, précipitation)

‐

facteurs liés à la modification de l’usage des sols due à la pression  anthropique

-15 -10 -5 0 5 10 15 20

10

15

300

500

700

900

-15 -10 -5 0 5 10 15 20

10

15

300

500

700

900

-15 -10 -5 0 5 10 15 20

10

15

300

500

700

900

-15 -10 -5 0 5 10 15 20

10

15

300

500

700

900

N’Tchayi et al., (1994)

Gradient de précipitation 1mm/km

Erosion éolienne au Sahel

0

20

40

60

80

100

120

01/01 04/01 07/01 10/01 12/31 04/01 07/01 09/30 12/31 04/01 07/01 09/30 12/30Date

Cum

ul d

es s

édim

ents

(< 2

0µm

) éro

dés

et d

épos

és (g

/m²)

érosion dans le champérosion dans la jachère

1996 19981997

→ Dans les conditions actuelles,  l’érosion éolienne et les émissions de 

poussières se produisent  essentiellement sur les champs cultivés 

(Rajot, 2001)Evolution de l’usage des solsaux environs de Niamey depuis 1950   (A. Touré, 2009)

26

Quantification de l’érosion éolienne sur les surfaces agricoles des zones semi-arides

tunisiennes…

(i)

Configuration différente de celle décrite pour les régions arides

(ii) Peu de données dans la littérature

(iii) Nécessité

de décrire les phénomènes avec des grandeurs accessibles à l’échelle régionale

RS

RH

Etude en wind tunnel de l’érosion éolienne sur des surfaces en  billons

NN°° RSRS (cm)(cm) RHRH (cm)(cm) RH/RSRH/RS

11 40.040.0 7.37.3

22 27.627.6 7.77.7 0.280.28

33 34.634.6 9.69.6 0.280.28

44 34.534.5 7.47.4 0.210.21

55 9.69.6 0.220.22

66 34.334.3 0.320.32

77 24.024.0 7.37.3 0.300.30

88 28.628.6 10.510.5 0.370.37

99 19.119.1 7.37.3

1010 24.024.0 8.68.6 0.360.36

1111 0.360.36

43.0

16.0 5.7

10.9

0.38

0.18

Plus une configuration sans billons

Kardous et al., Annales Geophysicae, 2005b

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35

600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200

u (cm.s-1)

Q (g

.cm

-1.s

-1)

RS= 43.0 cm; RH= 9.6 cm RH=40.0 cm; RH=7.3 cm RS= 34.6 cm; RS= 9.6 cm

RS= 34.3 cm; RH= 10.9 cm RS= 28.6 cm; RH=10.5 cm RS= 27.6 cm; RH= 7.7 cm

RS= 24.0 cm; RH=7.3 cm RS= 19.1 cm; RH= 7.3 cm Unridged surface

EROSION EOLIENNE SUR LES SURFACES EN BILLONS

de 60 à 80% de  réduction du 

flux d’érosion

Kardous et al., Annales Geophysicae , 2005b

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25

m e as u r e d Q (g .cm -1.s -1)ca

lcul

ated

Q (g

.cm

-1.s

-1)

initia l da ta s e t Ha ge n a nd Arm brus t, 1 9 9 2 a dditiona l da ta s e t

y=1.07x

r= 0.96

Vitesse de 

friction

2

0Rz H1.27R

36 0 5S

0. 0= ⋅ −

Coefficient de 

piégeage

7 7RHRS

a 3.10 10 1.39 10− −=− ⋅ ⋅ + ⋅

2* * *tQ a u (u -u )= ⋅ ⋅

Vitesse de friction seuil

*tRHRS

81.305u 207.1RH

86.871=− ⋅ + +

Quid sur des  parcelles 

réelles?

30

1. Aménagement des parcelles expérimentales

930 m

615 m

370 m

Parcelle DS

Parcelle DD

VENT

Validation au champ

Parcelle DS

DESCRIPTION DES EXPERIENCES:  Instrumentation

Rugosité

géométriqueRugosité

géométrique

Seuil d’érosion

Flux d’érosion

Vitesse de frictionRugosité

aérodynamique

RESULTATS: FLUX HORIZONTAUX MESURES VS CALCULES

0

1

10

100

1000

0 1 10 100 1000

measured flux (g.cm-1.event)

sim

ulat

ed fl

ux (

g.cm

-1. e

vent

)

tiller 2008moulboard 2003disc 2003mouldboard 2008tiller 2009 olive trees

a=0.89r=0.88

Labiadh et al., Geomorpholgy, soumis

33

0.1

1

10

100

1000

15-m

ars

14-m

ai

13-ju

il.

11-s

ept.

10-n

ov.

9-ja

nv.

10-m

ars

9-m

ai

8-ju

il.

6-se

pt.

5-no

v.

4-ja

nv.

5-m

ars

4-m

ai

Flux

(g c

m-1

j-1)

Parcelle DD Parcelle DS

2000 2001 2002

8FlFl

uxux DD

DS=

30% du Flux annuel

CONCLUSIONS

(i)

Des campagnes de mesures des conditions météorologiques, des flux d’érosion  et des caractéristiques de surface ont été

conduites sur deux sites différents. Elles 

ont  été

réalisées sur des surfaces labourées par trois types d’outils différents.

(ii) 

Les 

résultats 

obtenus 

montrent 

que 

l’on 

peut 

reproduire 

l’ordre 

de 

grandeur  des 

flux 

d’érosion 

des 

surfaces 

en 

billons 

simplement 

en 

connaissant 

les 

caractéristiques géométriques des billons et la vitesse du vent.

(iii) Les mesures réalisées confirment que les flux d’érosion sont notablement plus  faibles 

sur 

les 

surfaces 

labourées 

avec 

des 

outils 

à socs 

comparativement 

aux 

outils à disques. Les outils à griffes comme le tiller sont intermédiaires.

(iv) Cette validation rend envisageable d’utiliser la relation entre taille des billons  et 

flux 

d’érosion 

pour 

élaborer 

des 

outils 

de 

labourage 

limitant 

autant 

que 

possible l’érosion des sols.

• Merci de votre attention…

Déficit de précipitation en zone sahélienne

Augmentation des concentrations atmosphériques

Influence des conditions climatiquessur les émissions

Et les poussiEt les poussièères dres déésertiques dans tout sertiques dans tout çça ?a ?

• Un événement de dépôt d’environ 1 g m‐2

de poussières a affecté

le 

bilan 

du 

fer 

particulaire 

dans 

les 

eaux 

de 

surface 

pendant  environ une semaine

(July 19)

(Dulac et al., in Guerzoni & Chester eds.The Impact of Desert Dust Across the Mediterranean, Kluwer, 1996)

Seuil d’érosion       effet de l’humidité

du sol

Augmentation de la cohésion du sol par l’humidité

Fécan et al., Annales Geophysicae, 1999

Seuil d’érosion       effet de l’humidité

des sols

Fécan et al., Annales Geophysicae,1999

Augmentation du seuil d’érosion en fonction de l’humidité

des  sols, U*tw

/U*td

= f (%H,%clay)

1

1.5

2

2.5

3

0 4 8 12 16 20

Gravimetric soil moisture (% )

Eros

ion

thre

shol

d ve

loci

ty r

atio

measured for sand (1)computed for sand (1)measured for sandy loam (2)computed for sandy loam (2)measured for sandy loam (4)acomputed for sandy loam (4)ameasured for sandy loam (4)bcomputed for sandy loam (4)bmeasured for loam (2)computed for loam (2)measured for clay loam (4)computed for clay loam (4)measured for clay (2)computed for clay (2) measured clay (4)computed for clay (4)

Clay

Loam

Sandy loam

Sand

Flux de poussières

Le  «

sand‐blasting

»

Energie cinétique des particules en saltation

ec

= f(Dp,

U*)

Energie de cohésion des poussières

ed

=f(d)

Alfaro and Gomes, J. Geophys. Res., 2001

43

20%

40%

60%

80%

100%

600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200u (cm.s-1)

(Qs-

Qr)/

Qs (

%)

RS= 43.0 cm; RH=9.6 cm RS= 40.0 cm; RH= 7.3 cm RS= 34.6 cm; RH=9.6 cmRS= 34.3 cm; RH=10.9 cm RS= 28.6 cm; RH=10.5 cm RS= 27.6 cm; RH=7.7 cmRS= 24.0 cm; RH=7.3 cm RS= 19.1 cm; RH=7.3 cm

Réduction (%) du flux horizontal entre surfaces en billons et surface plane

(Kardous et al., Annales Geophys., 2005b)