Modélisation hydrologique d'un bassin affecté par des...

Thèse préparée en collaboration entre le Laboratoire de Modélisation en Hydraulique et Environnement, l’Institut de Recherche pour le Développement et le Centre d’Informatique Géologique

Université de Tunis El Manar

ECOLE NATIONALE D'INGÉNIEURS DE TUNIS

THESE

présentée pour obtenir le diplôme de

Docteur en Génie Hydraulique

soutenue publiquement le 26 Juin 2006

par

KINGUMBI Ahmadi

TITRE :

MODELISATION HYDROLOGIQUE D’UN BASSIN AFFECTE

PAR DES CHANGEMENTS D’OCCUPATION. CAS DU

MERGUELLIL EN TUNISIE CENTRALE.

devant le jury suivant :

MAALEL Khalifa

BARGAOUI Zoubeida

HUBERT Pierre

BOUHLILA Rachida

LEDUC Christian

BESBES Mustapha

LEDOUX Emmanuel

MEKKI Hamza

Président

Codirectrice de thèse

Codirecteur de thèse

Rapporteur

Rapporteur

Examinateur

Examinateur

Invité

Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (Laboratoire de Modélisation en Hydraulique et Environnement)

i

Résumé Le bassin de l’oued Merguellil se situe en Tunisie centrale, une région est caractérisée par un

climat semi-aride. Cette étude s’étend sur une superficie d’environ 1325 Km² dont l’exutoire

est le barrage d’El Haouareb, mis en eau en 1989. Ce bassin a été l’objet de plusieurs

aménagements de conservation des eaux et des sols dès le début des années 1960 mais dont le

rythme d’implantation s’est accéléré vers le milieu des années 1980. Ces aménagements, qui

couvrent actuellement presque un quart de la superficie du bassin, sont classés en deux

catégories : les aménagements des versants constitués essentiellement de banquettes (200

Km²) et les aménagements du réseau hydrographique constitués principalement de retenues

collinaires drainant une superficie d’environ 170 Km². Quatre systèmes aquifères

interconnectés, qui s’étendent sur environ 600 Km², constituent les principaux réservoirs

souterrains en relation avec l’oued Merguellil. D’importants prélèvements, qui n’ont cessé de

progresser depuis le début des années 1970, sont effectués dans ces aquifères pour

l’alimentation en eau potable, l’utilisation agricole et l’industrie touristique. Ces prélèvements

ont provoqué d’importantes baisses piézométriques qui ont atteint dans deux zones 30 m de

rabattement. La pluviométrie annuelle est habituellement comprise entre 200 et 500 mm, mais

deux années exceptionnellement pluvieuses (1969/70 et 1989/90) ont marqué l’historique

pluviométrique récent. Les apports moyens interannuels aux stations de Haffouz (675 km²) et

Sidi Boujdaria (890 Km²) ont été estimés respectivement à 16.7 et à 32 millions de m3 (sur la

période 1974-1982), alors qu’une étude récente a estimé les apports moyens interannuels au

barrage d’El Haouareb à seulement 23 millions de m3 entre 1989 et 1998. Deux facteurs

peuvent avoir contribué à la baisse des écoulements : d’une part une éventuelle diminution

des précipitations et d’autre part l’action anthropique matérialisée par les différents travaux de

conservation des eaux et des sols qui auraient pour conséquence la réduction du ruissellement

de surface. L’investigation sur la première hypothèse a été effectuée par une étude de la

variabilité interannuelle de plusieurs variables (locales et spatiales) construites à partir des

pluies journalières (entre 1950 et 1998) à l’aide des tests et procédures statistiques de

détection des changements. On trouve que les distributions de probabilité des pluies

journalières supérieures à 30 mm, aux différentes stations, sont statistiquement différentes

entre la période 1976-1989 et les périodes antérieure et postérieure. De même, la surface

couverte par les pluies journalières dépassant 30 mm a statistiquement diminué entre 1976 et

1989. Si l’hypothèse de changement peut être retenue pour les distributions des séries des

surfaces couvertes par les pluies > 30 mm, le changement aurait eu lieu en 1976. Nous

investiguons l’effet des aménagements de conservation des eaux et des sols combiné à celui

de la variabilité pluviométrique par modélisation hydrologique. Le Modèle MODCOU,

élaboré à l’Ecole des Mines de Paris et qui simule à la fois les écoulements superficiels et

souterrains, a été ainsi calibré sur la période 1970-1998. Les écoulements de surface sont

modélisés à travers une fonction de production conceptuelle à réservoirs (de 7 paramètres et 2

variables d’état). Les écoulements en zone saturée sont décrits par l’équation de diffusivité,

Résumé

Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (Laboratoire de Modélisation en Hydraulique et Environnement) ii

résolue par approximation aux différences finies connaissant les prélèvements. Pour tenir

compte des différents aménagements de conservation des eaux et des sols, une

paramétrisation spatio-temporelle de la fonction de production a été considérée. Le calage

considérant la reconstitution de piézométrie et de l’hydrométrie sur plusieurs sites de mesures

(multicritère et multisite), et par la génération stochastique des solutions candidates, a été

effectué. Les solutions qui donnent une bonne reconstitution des historiques hydrométriques

et piézométriques ont été retenues et analysées à l’aide des mêmes tests et procédures

statistiques que ceux utilisés pour les séries pluviométriques sur la période 1970-1998. Ces

tests ont été appliqués sur la moyenne (des sorties simulées) issue des solutions adoptées. Il en

ressort que les écoulements simulés connaissent une rupture de moyenne en 1976, ce qui

corrobore le changement identifié dans les grands évènements pluviométriques (> 30 mm).

Cependant, la contribution du ruissellement simulé dans l’écoulement montre deux ruptures

en 1977 et en 1989 : deux périodes durant lesquelles cette contribution est relativement plus

importante (1970-1977 et 1989-1998) séparées par une période dans laquelle elle est

sensiblement plus faible (1977-1989). D’autre part, la contribution du débit de base simulé

dans l’écoulement connaîtrait deux dates de ruptures (1977 et 1989) qui donnent deux

périodes déficitaires (1970-1977 et 1989-1998) encadrant une période excédentaire (1977-

1989). Ainsi, malgré une certaine reprise pluviométrique sur la période 1989-1998, la baisse

de la réponse du bassin du Merguellil enregistrée à partir de la mise en eau du barrage d’El

Haouareb (1989) serait essentiellement due à la baisse de la contribution du débit de base aux

écoulements. Cette baisse, en relation avec le niveau piézométrique, serait consécutive à

l’augmentation des prélèvements dans les nappes.

Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (Laboratoire de Modélisation en Hydraulique et Environnement)

iii

Abstract The Merguellil wadi basin is located in the central Tunisia, a region characterized by a

semiarid climate. This study spreads on an area of about 1325 km² with El Haouareb dam,

which was priming in 1989, as outlet. The basin was submitted to several works of soil and

water conservation since the sixties with an important contribution in the late eighties. These

practices, that currently cover nearly ¼ of the surface of the basin, are classified in two

categories: the practices on basin slopes constituted essentially by contour ridges (200 Km²)

and the practices on the hydrographical network by implantation of small hilly dams draining

about 170 Km². Four interconnected aquifer systems, which spread on about 600 Km²,

constitute the main underground reservoirs in relation with the Merguellil wadi. Important

withdrawals, which increased progressively since the beginning of the seventies, are made in

these aquifers for water supplies, agricultural use and tourist industry. These withdrawals are

responsible for a decrease of the water table of 30 m in certain points. While the rainfall

varies from 200 to 500 mm a year, two extreme events took place in 1969/70 and 1989/90.

The annual mean inflows at the stations of Haffouz (675 km²) and Sidi Boujdaria (890 Km²)

have been estimated respectively to 16.7 and to 32 millions m3 (for the period 1974-1982),

whereas the annual inflows to the El Haouareb dam were evaluated to only 23 millions m3

between 1989 and 1998. The aim of this study is the investigation of the reasons of the

decrease noted on the inflows. Two factors may have contributed to the decrease of the

inflows of this basin: on the one hand the reduction of the precipitations inputs and on the

other hand the human action consequently to the different works of water and soils

conservation. A study of the annual variability of several variables (local and spatial) built

from the daily rains has been undertaken using statistical approaches. We find that the

probability distributions of daily rainfall superior to 30 mm, at the different stations, are

statistically different between the period 1976-1989 and the previous and posterior periods. In

the same way, the surface covered by the daily rains > 30 mm decreased statistically between

1976 and 1989. If the hypothesis of change is considered, the date of change in the

distributions of the series of surfaces covered by rain > 30 mm would be 1976. A hydrologic

modelling that takes into account the soil and water conservation practices on the basin has

been undertaken within the MODCOU model, elaborated at Ecole des Mines de Paris. In this

model, the surface flows are modelled through a conceptual production function of reservoirs

(with 7 parameters and two state variables). The flows in saturated zone are described by the

diffusivity equation, solved by the difference finite approach. To take into account water and

soil conservation practices, a spatial and temporal parameterization of the production function

has been considered. A calibration process that considers the piezometric and the hydrometric

data at several sites of measures was used with stochastic generation of the candidate

parameters. The solutions satisfying a given criteria for model errors were retained. The

statistical analysis of model outputs was then performed. For the simulated inflows, a

decrease in the mean was identified from 1976, which corroborates previous results about the

Abstract

Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (Laboratoire de Modélisation en Hydraulique et Environnement) iv

change noted in the heavy rain events. However, the contribution of the simulated surface

runoff in the inflow of the Merguellil basin shows two changes in 1977 and in 1989: two

periods during which this contribution is relatively more important separated by one period in

which it is appreciably weaker (1977-1989). On the other hand, the contribution of the

simulated flows from aquifers in the Merguellil basin inflow shows two dates of change (1977

and 1989) that give two periods showing a deficit framing an excess period (1977-1989).

Although we witnessed a certain pluviometric increase for the period 1989-1998, the decrease

of the Merguellil basin inflows recorded on the period after the beginning of El Haouareb

dam exploitation (1989) would be essentially due to the decrease of the underground flow

contribution consecutive to an increase of withdrawals in the aquifers.

Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG)

v

Sommaire Résumé........................................................................................................................................ i Abstract .....................................................................................................................................iii Sommaire ................................................................................................................................... v Liste des figures ........................................................................................................................ ix Liste des tableaux ..................................................................................................................... xv Sigles et abréviations..............................................................................................................xvii Introduction générale............................................................................................................... 1

1. Etat de l’art sur l’étude de la variabilité dans la modélisation du cycle de l’eau ....... 4

1-1- Le cycle de l’eau .......................................................................................................... 4 1-2- Modélisation de la variabilité du cycle de l’eau .......................................................... 6

1-2-1- Variabilité ou changement climatique................................................................... 6 1-2-2- Variables étudiées pour caractériser l’évolution du climat ................................... 6 1-2-3- Méthodes utilisées pour caractériser l’évolution des éléments du cycle de l’eau. 7 1-2-4- Usage des méthodes sur le bassin du Merguellil................................................... 8

1-3- Modélisation hydrologique du cycle de l’eau.............................................................. 8 1-3-1- Mécanismes de genèse d’écoulement et de recharge des nappes.......................... 8 1-3-1-1- Mécanismes de genèse d’écoulement .............................................................. 8

1-3-1-1-a- Ruissellement de surface.......................................................................... 9 1-3-1-1-b- Ecoulement hypodermique ...................................................................... 9 1-3-1-1-c- Ecoulement de base................................................................................ 10

1-3-1-2- Mécanismes de recharge des nappes.............................................................. 10 1-3-2- Quantification des composantes du cycle hydrologique ..................................... 11 1-3-2-1- Approche du bilan hydrologique ................................................................... 11 1-3-2-2- Approche systémique et modélisation du cycle de l’eau ............................... 11

1-3-3- Classification des modèles hydrologiques .......................................................... 12 1-3-4- Calage des modèles hydrologiques ..................................................................... 13 1-3-4-1- Sources d’incertitudes dans les modèles hydrologiques................................ 14 1-3-4-2 - Méthodes de calage des modèles hydrologiques .......................................... 14

1-3-4-2-a- Ajustement manuel des paramètres........................................................ 14 1-3-4-2-b- Optimisation automatique des paramètres ............................................. 15 1-3-4-2-c- Combinaison des calages manuel et automatique.................................. 15

1-3-4-3- Joindre les approches stochastique et déterministe dans le calage des modèles hydrologiques ................................................................................................ 16

1-3-4-4- Critères numériques d’évaluation des performances de calage des modèles hydrologiques ................................................................................................ 16

1-3-5 Prise en compte des aménagements dans la modélisation hydrologique ............. 17 1-3-6- Choix du modèle hydrologique ........................................................................... 18

1-4- Conclusion ................................................................................................................. 18 2. Contexte physique de la zone d’étude ........................................................................... 21

2-1- Situation de la zone d’étude....................................................................................... 21 2-2- Topographie du bassin du Merguellil ........................................................................ 22 2-3- Pédologie de la zone d’étude ..................................................................................... 26 2-4- Occupation spatiale de la zone d’étude...................................................................... 29

Sommaire

Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) vi

2-5- Implantation des aménagements de Conservation des Eaux et des Sols (CES) dans la zone d’étude .............................................................................................................. 31

2-5-1- L’érosion dans le bassin du Merguellil ............................................................... 31 2-5-2- Les aménagements des versants du bassin du Merguellil ................................... 32 2-5-2-1- Plantations pastorales et fixations biologiques ..............................................32 2-5-2-2- Cordons et seuils en pierres sèches................................................................ 32 2-5-2-3- Banquettes de rétention totale........................................................................ 32

2-5-3- Les aménagements des cours d’eau du bassin du Merguellil.............................. 34 2-5-3-1- Ouvrages de stabilisation des berges et des profils en long........................... 34 2-5-3-2- Lacs et barrages collinaires............................................................................ 35

2-6- Aperçu du cadre administratif et socio-économique de la zone d’étude ................... 38 2-7- Conclusion ................................................................................................................. 39

3. Données hydrométéorologiques..................................................................................... 40

3-1- Aperçu du cadre climatique de la zone d’étude ......................................................... 40 3-1-1- Les températures du bassin du Merguellil........................................................... 40 3-1-2- Vitesses et directions des vents ........................................................................... 41 3-1-3- Humidité de l’air ................................................................................................. 41 3-1-4- Evaporation et évapotranspiration....................................................................... 41

3-2- Pluviométrie de la zone d’étude................................................................................. 43 3-2-1- Réseau des mesures pluviométriques et pluviographiques ................................. 43 3-2-2- Vérification des données pluviométriques .......................................................... 46 3-2-2-1- Méthodes de contrôle des données ................................................................ 46 3-2-2-2- Comment appliquer les méthodes de contrôle des données........................... 47 3-2-2-3- Mise en œuvre de la méthode de double masse............................................. 48 3-2-2-4- Mise en oeuvre de la méthode d’ellipse de Bois............................................ 49

3-2-3- Caractérisation des données pluviométriques ..................................................... 50 3-2-3-1 Caractérisation de la pluie au niveau des stations individuelles ..................... 50 3-2-3-2 Caractérisation de la pluie au niveau régional ................................................51 3-2-3-3 Caractérisation des intensités pluviométriques du bassin du Merguellil ........ 54

3-2-4- Reconstitution des données pluviométriques manquantes .................................. 55 3-3- Hydrométrie de la zone d’étude................................................................................. 56

3-3-1- Réseau hydrographique....................................................................................... 56 3-3-2- Stations des mesures hydrométriques ................................................................. 57 3-3-3- Vérification des données hydrométriques ........................................................... 58 3-3-3-1- Anomalies et lacunes dans les données hydrométriques journalières ........... 58 3-3-3-2- Comparaison des pluies et des débits journaliers au niveau des sous bassins

du Merguellil ................................................................................................. 58 3-3-3-3- Comparaison des pluies et des débits à l’échelle des évènements pluvieux.. 59

3-3-3-3-a- Station hydrométrique de Skhira............................................................60 3-3-3-3-b Station hydrométrique de Haffouz .......................................................... 60 3-3-3-3-c- Station hydrométrique de Sidi Boujdaria............................................... 61

3-3-4- Caractérisation des données hydrométriques ...................................................... 63 3-3-4-1- Station hydrométrique de Skhira ................................................................... 63 3-3-4-2- Station hydrométrique de Haffouz................................................................. 64 3-3-4-3- Station hydrométrique de Zebbes .................................................................. 65 3-3-4-4- Station hydrométrique de Sidi Boujdaria....................................................... 65 3-3-4-5- Données issues du bilan du barrage d’El Haouareb....................................... 65 3-3-4-6- Conclusion ..................................................................................................... 66

3-3-5- Caractérisation chimique des eaux de l’oued Merguellil .................................... 67

Sommaire

Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) vii

3-4- Conclusion ................................................................................................................. 68 4. Analyse des données hydrogéologiques......................................................................... 71

4-1- Méthodologie de traitement des données hydrogéologiques ..................................... 72 4-2- Synthèse du traitement des données hydrogéologiques............................................. 73

4-2-1- Délimitation des systèmes aquifères ................................................................... 73 4-2-1-1- Affleurements géologiques du bassin du Merguellil ..................................... 73 4-2-1-2- Morphologie des principales cuvettes souterraines du bassin du Merguellil 77 4-2-1-3- Délimitation des nappes................................................................................. 79

4-2-2- Caractérisation du fonctionnement des nappes...................................................80 4-2-2-1- Paramètres hydrodynamiques ........................................................................ 80 4-2-2-2- Piézométrie des nappes .................................................................................. 84 4-2-2-3- Zones d’alimentation et d’exutoire naturel des nappes.................................. 85 4-2-2-4- Evolution temporelle des prélèvements dans les nappes ............................... 86 4-2-2-5- Evolution temporelle du niveau piézométrique ............................................. 88

4-3- Minéralisation des eaux souterraines du bassin du Merguellil .................................. 91 4-4- Conclusion ................................................................................................................. 92

5. Evolution des séries pluviométriques de la zone d’étude ............................................94

5-1- Données utilisées ....................................................................................................... 95 5-1-1- Approche locale................................................................................................... 95 5-1-1-1- Définition des variables utilisées ................................................................... 95 5-1-1-2- Persistance temporelle des classes de pluie ................................................... 96

5-1-2- Approche spatiale................................................................................................ 96 5-2- Méthodes statistiques utilisées................................................................................... 98

5-2-1- Test de Pettitt....................................................................................................... 99 5-2-2- Procédure de segmentation des séries hydrométéorologiques ............................ 99 5-2-3- Méthode bayésienne de Lee et Heghinian.........................................................100

5-3- Variabilité pluviométrique à l’échelle locale........................................................... 101 5-3-1- Evolution des pluies annuelles des huit stations sélectionnées ......................... 101 5-3-2- Application des méthodes de détection des ruptures ........................................ 103 5-3-2-1 Résultats du test de Pettitt (1979).................................................................. 104 5-3-2-2 Résultats de la procédure de segmentation de Hubert et Carbonnel (1987) . 105 5-3-2-3 Résultats de la méthode bayésienne de Lee et Heghinian (1977) ................. 107

5-3-3- Comparaison des distributions de probabilité des gros évènements pluvieux.. 108 5-4- Variabilité pluviométrique à l’échelle spatiale ........................................................ 111

5-4-1- Confection des données spatiales...................................................................... 111 5-4-2- Recherche de changement dans la série annuelle des surfaces couvertes par les fortes pluies .................................................................................................................. 111 5-4-3- Occurrence annuelle des fortes pluies............................................................... 112 5-4-4- Homogénéité des distributions de probabilité des classes spatiales de pluie.... 114

5-5- Conclusion ............................................................................................................... 115 6. Présentation du modèle d’écoulements « MODCOU » et discrétisation de la zone d’étude................................................................................................................................ 117

6-1- Description du modèle d’écoulement ...................................................................... 117 6-1-1- Le modèle Modcou............................................................................................ 117 6-1-2- La fonction de production ................................................................................. 119

6-2- Choix de la date de référence et de la période d’étude ............................................ 121 6-3- Maillage et conditions aux limites de la zone d’étude............................................. 122

Sommaire

Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) viii

6-3-1- Maillage de la zone d’étude .............................................................................. 122 6-3-1-1- Maillage du système superficiel................................................................... 122 6-3-1-2- Maillage du système souterrain ................................................................... 123

6-3-2- Définition des conditions aux limites du système............................................. 123 6-4- Répartition spatiale des paramètres de la fonction de production ........................... 125

6-4-1 Etat naturel.......................................................................................................... 125 6-4-2- Aménagements .................................................................................................. 127

6-5- Prise en compte de la variabilité temporelle des paramètres ................................... 129 6-6- Conclusion ............................................................................................................... 132

7. Modélisation des écoulements superficiels et souterrains du bassin du Merguellil 134

7-1- Reconstitution de l’état initial du système souterrain ............................................. 134 7-1-1- Procédure de calage........................................................................................... 134 7-1-2- Diagnostic.......................................................................................................... 135

7-2- Procédure de recherche des séries optimales des paramètres en régime transitoire 137 7-2-1- Paramètres de la fonction de production ........................................................... 137 7-2-1-1- Domaine de variation des paramètres CRT, DCRT et FN........................... 138 7-2-1-2- Génération stochastique des paramètres CRT, DCRT et FN....................... 139

7-2-2- Paramètres du modèle d’écoulement en zone saturée....................................... 139 7-2-3- Paramètres de l’échange nappe-rivière ............................................................. 139

7-3- Calage monocritère basé sur la reconstitution de l’historique piézométrique ......... 139 7-4- Calage monocritère avec l’historique hydrométrique.............................................. 144

7-4-1- Reconstitution des débits aux différentes stations hydrométriques .................. 144 7-4-1-1- Station hydrométrique de Skhira ................................................................. 145 7-4-1-2- Station hydrométrique de Haffouz............................................................... 146 7-4-1-3- Station hydrométrique de Zebbes ................................................................ 146 7-4-1-4- Station hydrométrique de Sidi Boujdaria..................................................... 146 7-4-1-5- Station d’El Haouareb.................................................................................. 147 7-4-1-6- Conclusion ................................................................................................... 147

7-4-2- Reconstitution globale des données hydrométriques ........................................ 148 7-5- Reconstitution multicritère des historiques hydrométrique et piézométrique ......... 150

7-5-1- Sélection des simulations optimales.................................................................. 150 7-5-2- Reconstitution des valeurs mesurées................................................................. 157 6-5-3- Distribution des paramètres du modèle............................................................. 158 7-5-4- Analyse des résidus ........................................................................................... 162 7-5-5- Validation des paramètres du modèle ............................................................... 166

7-6- Application à l’élaboration du bilan en eau du bassin du Merguellil ...................... 168 7-7- Impact de la prise en compte des aménagements sur les éléments du cycle

hydrologique............................................................................................................ 171 7-8- Evolution temporelle de la relation entre la nappe et les eaux de surface ............... 173 7-9- Analyse des séries chronologiques reconstituées .................................................... 176 7-10- Conclusion ............................................................................................................. 178

Conclusion générale ............................................................................................................. 181 Références bibliographiques ............................................................................................... 186


ix

Liste des figures

Figure 2.1 Localisation géographique de la zone d’étude........................................................ 22 Figure 2.2 Carte des altitudes du bassin du Merguellil ............................................................ 23 Figure 2.3 Courbes hypsométriques des sous-bassins du Merguellil (Kingumbi, 1997)......... 25 Figure 2.4 Répartition des pentes en fonction des surfaces des sous-bassins du Merguellil ... 25 Figure 2.5 Répartition spatiale des entités pédologiques du bassin du Merguellil (Barbery et

Mohdi, 1987 ; Mizouri et al., 1990) et recomposées d’après le Tableau 2.3......... 28 Figure 2.6 Répartition spatiale des différentes occupations des sols du bassin du Merguellil 30 Figure 2.7 Chronologie d’implantation des banquettes dans le bassin du Merguellil, d’après

Dridi (2000)............................................................................................................ 34 Figure 2.8 Localisation des lacs et barrages collinaires dans le bassin du Merguellil. ............ 35 Figure 2.9 Chronologie d’implantation des lacs et barrages collinaires dans le bassin du

Merguellil : (a) nombre et (b) surface drainée par ces retenues d’eau. .................. 36 Figure 2.10 Pyramide des ages de la population du gouvernorat de Kairouan de l’année 1989

(DGAT, 1995). ....................................................................................................... 39 Figure 3.1 Températures moyennes mensuelles de la zone d’étude (Kingumbi, 1997) .......... 41 Figure 3.2 Variabilité annuelle de l’Evapotranspiration potentielle (ETP) mensuelle à

Kairouan (Bouzaiane et Lafforgue, 1986).............................................................. 42 Figure 3.3 Evolution annuelle de l’évaporation au bac à la station de Fidh Ben Naceur ........ 42 Figure 3.4 Situation géographique des stations des mesures du bassin du Merguellil ............ 44 Figure 3.5 Nombre de stations pluviométriques en fonction de la durée d’observations

annuelles sans lacunes............................................................................................ 44 Figure 3.6 Découpage du bassin en zones d’influence pour le contrôle des stations

pluviométriques...................................................................................................... 47 Figure 3.7 Représentation des stations pluviométriques présentant des anomalies par la

méthode de double masse....................................................................................... 48 Figure 3.8 Contrôle par la méthode de l’ellipse de Bois des stations présentant des anomalies

par la méthode de double masse............................................................................. 49 Figure 3.9 Surfaces associées aux postes pluviométriques pour le calcul de la pluie moyenne

des sous bassins du Merguellil ............................................................................... 51 Figure 3.10 Répartition mensuelle des pluies du bassin versant du Merguellil limité au barrage

d’El Haouareb (1966-1998) ................................................................................... 52 Figure 3.11 Distribution de la pluviométrie annuelle du bassin versant du Merguellil (1966-

1998)....................................................................................................................... 53 Figure 3.12 Ecarts centrés réduits de la pluviométrie annuelle du bassin versant du Merguellil

(1966-1998)............................................................................................................ 53 Figure 3.13 Couverture spatiale des zones météorologiques utilisées dans la modélisation du

bassin de l’oued Merguellil .................................................................................... 55 Figure 3.14 Réseau hydrographique et stations hydrométriques du bassin du Merguellil ...... 57 Figure 3.15 Comparaison journalière de la pluie moyenne sur les sous bassins des stations

hydrométriques du Merguellil et des débits moyens mesurés à leurs exutoires .... 59 Figure 3.16 Comparaison pluie-volume des évènements sélectionnés à la station

hydrométrique de Skhira (1974-1998) ...................................................................60 Figure 3.17 Comparaison pluie-volume des évènements sélectionnés à la station

hydrométrique de Haffouz (1966-1998) ................................................................ 61

Liste des figures

Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) x

Figure 3.18 Comparaison pluie-volume des évènements sélectionnés à la station hydrométrique de Sidi Boujdaria (1974-1986) ...................................................... 62

Figure 3.19 Répartition annuelle de la lame mensuelle écoulée à la station hydrométrique de Skhira (1974-1998) ................................................................................................ 63

Figure 3.20 Ecarts centrés réduits de la lame écoulée à la station hydrométrique de Skhira (1974-1998)............................................................................................................ 64

Figure 3.21 Répartition annuelle de la lame mensuelle écoulée à la station de Haffouz (1970-1998)....................................................................................................................... 65

Figure 3.22 Répartition annuelle de la lame mensuelle écoulée au barrage d’El Haouareb (1989-1998)............................................................................................................ 66

Figure 3.23 Evolution temporelle de la minéralisation des eaux du Merguellil aux stations de (a) Haffouz (b) Sidi Boujdaria (Hervieu, 2000)..................................................... 67

Figure 3.24 Diagramme de Piper des eaux de l’oued Merguellil aux stations hydrométriques de Haffouz, Skhira et Zebbes ; ainsi qu’au barrage d’El Haouareb. ...................... 68

Figure 4.1 Extension spatiale des principales nappes de la zone d’étude ................................ 71 Figure 4.2 Reconstitution de la carte des affleurements géologiques du bassin du Merguellil74 Figure 4.3 Corrélation litho-stratigraphique dans la cuvette de Bouhafna (coupe n° 3 de la

Figure 4.2) .............................................................................................................. 77 Figure 4.4 Corrélation litho-stratigraphique couvrant les cuvettes de Bouhafna, Haffouz et

Cherichira (coupe n° 1 de la Figure 4.2) ................................................................ 78 Figure 4.5 Corrélation litho-stratigraphique dans le synclinal de Cherichira (coupe n° 4 de la

Figure 4.2) .............................................................................................................. 78 Figure 4.6 Corrélation litho-stratigraphique dans la partie septentrionale de la cuvette d’Aïn

Baïdha (coupe n° 5 de la Figure 4.2)...................................................................... 79 Figure 4.7 Corrélation litho-stratigraphique dans les parties centrale et méridionale de la

cuvette d’Aïn Baïdha (coupe n° 2 de la Figure 4.2)............................................... 79 Figure 4.8 Situation des points d’eau (sondages et puits) et délimitation des aquifères du

bassin du Merguellil en nappes phréatique et profonde......................................... 80 Figure 4.9 Carte de répartition spatiale des valeurs mesurées des transmissivités de la nappe

phréatique du bassin du Merguellil ........................................................................ 81 Figure 4.10 Carte de répartition spatiale des valeurs mesurées des transmissivités de la nappe

profonde du bassin du Merguellil........................................................................... 82 Figure 4.11 Distributions des transmissivités pour les nappes (a) phréatique et (b) profonde 83 Figure 4.12 Carte de répartition spatiale des valeurs mesurées des coefficients

d’emmagasinement de la nappe profonde du bassin du Merguellil ....................... 83 Figure 4.13 Carte piézométrique de la nappe phréatique du bassin du Merguellil (1970) ...... 84 Figure 4.14 Carte piézométrique de la nappe profonde du bassin du Merguellil (1970)......... 85 Figure 4.15 Evolution chronologique des prélèvements dans la nappe phréatique du bassin du

Merguellil (DGRE, 1985-2000) ............................................................................. 87 Figure 4.16 Evolution chronologique des prélèvements dans la nappe profonde du bassin du

Merguellil ............................................................................................................... 87 Figure 4.17 Localisation géographique des points d’eau pour lesquels nous disposons d’une

chronologie des mesures piézométriques pour les nappes (a) phréatique et (b) profonde. ................................................................................................................ 88

Figure 4.18 Evolution chronologique du niveau piézométrique de la nappe phréatique......... 89 Figure 4.19 Evolution chronologique du niveau piézométrique de la nappe profonde ........... 90 Figure 4.20 Diagramme de Piper établi pour les eaux souterraines du bassin du Merguellil,

dans les zones de Bouhafna, Cherichira, El Ala et Haffouz. ................................. 92 Figure 5.1 Répartition spatiale des stations pluviométriques utilisées.................................... 94

Liste des figures

Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) xi

Figure 5.2 Surfaces du bassin du Merguellil couvertes par les différentes classes de pluie dans l'épisode du 29 Mars 1977...................................................................................... 97

Figure 5.3 Comparaison des surfaces des classes de pluie calculées avec 9 et 25 stations pluviométriques durant l’année hydrologique 1989/90 sur le bassin du Merguellil................................................................................................................................ 97

Figure 5.4 Indices d’Anomalies calculés sur les séries des pluies annuelles des stations pluviométriques de Sidi Saad, Sidi Hamada, Kairouan et Ouslatia. .................... 102

Figure 5.5 Indices d’Anomalies calculés sur les séries des pluies annuelles des stations pluviométriques de Haffouz, Kesra, Skhira et El Ala. ......................................... 102

Figure 5.6 Dates calculées par le test de Pettitt en fonction du nombre de ruptures obtenues avec un risque de première espèce égal à 50% .................................................... 105

Figure 5.7 Dates calculées par la méthode bayésienne de Lee et Heghinian en fonction du nombre de ruptures............................................................................................... 107

Figure 5.8 Comparaison de l’indice ENSO (a) et des variables centrées réduites (b) calculées sur les pluies annuelles des stations de la Tunisie centrale .................................. 109

Figure 5.9 Distribution des classes des pluies journalières aux stations pluviométriques de Sidi Saad, Sidi Hamada, Kairouan et Ouslatia..................................................... 109

Figure 5.10 Distribution des classes des pluies journalières aux stations pluviométriques de Haffouz, Kesra, Skhira et El Ala.......................................................................... 110

Figure 5.11 Cumul annuel et indices d'anomalies des surfaces couvertes par les grands évènements pluvieux dans le bassin du Merguellil .............................................. 112

Figure 5.12 Nombre annuel de stations utilisées pour sélectionner le nombre de jours durant lesquels l’isohyète 30 mm est détectée dans la zone d’étude (a) et la densité de probabilité à posteriori de la position du changement calculée à partir de cette variable (b) ........................................................................................................... 113

Figure 5.13 Densité de probabilité a posteriori de l’amplitude du changement calculée à partir du nombre de jours durant lesquels l’isohyète 30 mm est détectée dans la zone d’étude.................................................................................................................. 113

Figure 5.14 Distributions cumulatives des pourcentages des surfaces couvertes par les classes de pluie pendant les grands évènements pluvieux ............................................... 114

Figure 6.1 Distributions empiriques du niveau statique et de la profondeur de tous les puits recensés pendant toute la période d’étude............................................................ 118

Figure 6.2 Paramètres et variables d’état de la fonction de production standard du modèle MODCOU (Girard et al., 1981). .......................................................................... 120

Figure 6.3 Maillage, conditions aux limites du système souterrain et réseau de surveillance piézométrique du bassin du Merguellil. ............................................................... 124

Figure 6.4 Précision des conditions aux limites utilisées pour le calage du système souterrain (a) à l’était initial et (b) en régime transitoire ...................................................... 125

Figure 6.5 Dix sept entités issues de la superposition des classes pédologiques et d’occupations et leur subdivision en zones d’homogène production................... 127

Figure 6.6 Répartition spatiale des zones de production homogène issues de la superposition de l’occupation et de la nature des sols ................................................................ 128

Figure 6.7 La représentation pour chaque fonction de production initiale des superficies des mailles affectées par un changement avant et après la répartition des huit fonctions de production supplémentaires............................................................................. 130

Figure 6.8 Evolution temporelle des proportions de surface des fonctions de production initiales concernées par un changement et le type de changement intervenu. ..... 130

Figure 6.9 Distribution spatiale des fonctions de production sur la période 1996-1998 ....... 131 Figure 7.1 Comparaison des cartes piézométriques initiales (1970) de la nappe phréatique : (a)

calculée à partir des mesures et (b) simulée par le modèle. ................................. 135

Liste des figures

Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) xii

Figure 7.2 Comparaison des cartes piézométriques initiales (1970) de la nappe profonde : (a) calculée à partir des mesures et (b) simulée par le modèle. ................................. 136

Figure 7.3 Bilan en eau des systèmes aquifères du bassin du Merguellil en 1970 ................ 137 Figure 7.4 Critères de performance piézométrique du modèle calculés pour 10000 simulations

.............................................................................................................................. 140 Figure 7.5 Comparaison des piézométries mensuelles mesurées et calculées (par 46 jeux de

paramètres sélectionnés par le calage monocritère basé sur la piézométrie) sur quatre points représentatif des aquifères du bassin du Merguellil ....................... 141

Figure 7.6 Box Plots du pourcentage de piézomètres dont le critère « Erreur absolue » est inférieur à un seuil, et ce pour les 46 meilleures simulations qui reconstituent la piézométrie. .......................................................................................................... 141

Figure 7.7 Comparaison des débits mensuels mesurés et calculés (par 46 jeux de paramètres sélectionnés sur la base du critère piézométrique) aux stations hydrométriques du bassin versant du Merguellil et pour les périodes 1978-1982 et 1986-1990........ 142

Figure 7.8 Box Plot des valeurs du critère « EXPO » calculées aux différentes stations hydrométriques à partir des 46 meilleures simulations de la reconstitution piézométrique. ...................................................................................................... 143

Figure 7.9 Visualisation des valeurs des paramètres des 46 simulations présentant les meilleurs critères « Erreur absolue » sur la piézométrie. ..................................... 144

Figure 7.10 Distribution des valeurs du critère « Expo » calculées au niveau des stations hydrométriques et pour les dix mille jeux de paramètres générés. ...................... 145

Figure 7.11 Box Plot des valeurs du critère de performance EXPO calculées pour les 50 meilleurs jeux de paramètres sélectionnés aux différentes stations hydrométriques et comparaison avec les critères correspondant aux autres stations : (a) Skhira, (b) Zebbes, (c) Haffouz et (d) Sidi Boujdaria. .................... 146

Figure 7.12 Box Plot des valeurs du critère de performance EXPO calculées pour les 50 meilleurs jeux de paramètres sélectionnés à El Haouareb et comparaison avec les critères correspondant aux autres stations hydrométriques.................................. 147

Figure 7.13 Box Plot des valeurs du « critère global » calculées pour les 50 meilleurs jeux de paramètres sélectionnés pour les données hydrométriques, comparaison avec le critère EXPO correspondant aux différentes stations hydrométriques. ............... 149

Figure 7.14 Box Plots du pourcentage de piézomètres dont le critère « Erreur absolue » est inférieur à un certain seuil, et ce pour les 50 meilleures simulations reconstituant les débits............................................................................................................... 149

Figure 7.15 Distribution des valeurs du « critère global » calculées pour 10000 simulations en utilisant : (a) toutes les données, (b) les débits, et (c) les piézométries. .............. 150

Figure 7.16 Box Plot des valeurs du « critère EXPO » aux différentes stations hydrométriques calculées pour les 69 meilleures simulations du calage multicritère. .................. 151

Figure 7.17 Box Plots du pourcentage de piézomètres dont le critère « Erreur absolue » est inférieur à un seuil, et ce pour les 69 meilleures simulations de la reconstitution multicritère. .......................................................................................................... 153

Figure 7.18 Distributions empiriques des débits calculés par les 69 (a) et 16 (b) meilleurs jeux de paramètres sélectionnés à partir du calage multicritère................................... 153

Figure 7.19 Comparaison, sur les périodes 1978-1982 et 1986-1990, des débits mensuels (aux différentes stations) mesurés et calculés par les 16 jeux de paramètres sélectionnés............................................................................................................................... 157

Figure 7.20 Comparaison des piézométries mensuelles mesurées et calculées par les 16 jeux de paramètres sélectionnés sur quatre points représentatif des aquifères du Merguellil ............................................................................................................. 158

Liste des figures

Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) xiii

Figure 7.21 Représentation du critère global dans le plan des paramètres FN et CRT par fonction de production : (a) fonction « forêts », (b) fonction « argiles », (c) fonction « sables », (d) fonction « affleurements » et (e) fonction « banquettes »............................................................................................................................... 159

Figure 7.22 Représentation du critère global dans le plan des paramètres FN et DCRT par fonction de production : (a) fonction « forêts », (b) fonction « argiles », (c) fonction « sables », (d) fonction « affleurements » et (e) fonction « banquettes »............................................................................................................................... 160

Figure 7.23 Représentation du critère global dans le plan des paramètres CRT et DCRT par fonction de production : (a) fonction « croûtes », (b) fonction « forêts », (c) fonction « argiles », (d) fonction « sables », (e) fonction « affleurements » et (f) fonction « banquettes ». ....................................................................................... 160

Figure 7.24 Comparaison des valeurs des paramètres CRT et DCRT issues de la littérature et celles issues des 16 et 69 meilleures solutions sélectionnées d’après le calage multicritère. .......................................................................................................... 161

Figure 7.25 Valeurs des paramètres CRT et DCRT générées aléatoirement et localisations de celles des jeux de paramètres présentant un meilleur critère global pour chaque fonction de production : (a) fonction « croûtes », (b) fonction « forêts », (c) fonction « argiles », (d) fonction « sables », (e) fonction « affleurements » et (f) fonction « banquettes ». ....................................................................................... 162

Figure 7.26 Débits mesurés en fonction des débits calculés à toutes les stations hydrométriques du bassin du Merguellil .............................................................. 163

Figure 7.27 Rabattements mesurés en fonction des rabattements calculés à toutes les stations piézométriques du bassin du Merguellil............................................................... 163

Figure 7.28 Relation entre les résidus et les débits calculés aux différentes stations hydrométriques du bassin du Merguellil : (a) Skhira, (b) Haffouz, (c) Zebbes, (d) Sidi Boujdaria et (e) El Haouareb. ....................................................................... 164

Figure 7.29 Relation entre les résidus et les rabattements calculés à toutes les stations piézométriques du bassin du Merguellil............................................................... 165

Figure 7.30 Relation entre les résidus et les rabattements calculés à quelques stations piézométriques du bassin du Merguellil : (a) Bir Triaa Ben Fredj (région d’Aïn Baïdha), (b) Piézomètre PL1 (région de Bouhafna), (c) Piézomètre Cherichira III (région de Cherichira), et (d) Bir El Adhine (région de Haffouz)........................ 166

Figure 7.31 Auto corrélation entre les valeurs mensuelles calculées par le modèle : (a) à la station piézométrique KT5 et (b) à la station hydrométrique de Haffouz........... 166

Figure 7.32 Comparaison des valeurs mesurées et calculées (au pas de temps de 5 jours) par les 16 jeux de paramètres pendant l’année hydrologique 1969/70. ..................... 167

Figure 7.33 Box Plot des valeurs du critère de performance EXPO calculées (par les 16 meilleurs jeux de paramètres sélectionnés) en période de validation sur l’année hydrologique exceptionnelle 1969/70 et à la station hydrométrique de Haffouz. 167

Figure 7.34 (a) Estimation des éléments du bilan interannuel du bassin du Merguellil sur la période 1970-1998 et sa comparaison avec (b) un scénario sans prélèvements dans les nappes. ............................................................................................................ 168

Figure 7.35 Evolution temporelle des écarts à la moyenne des éléments du bilan superficiel du bassin du Merguellil ............................................................................................. 169

Figure 7.36 Evolution temporelle de la lame écoulée simulée aux différentes stations hydrométriques du bassin versant du Merguellil ................................................. 169

Figure 7.37 Lames moyennes (mm) écoulées et simulées aux différentes stations hydrométriques sur les périodes 1970-1977 (souligné) et 1977-1998 (gras)....... 170

Liste des figures

Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) xiv

Figure 7.38 Comparaison des distributions du « critère global », calculées en calage multicritère et pour 10000 simulations qui tiennent compte et pas des aménagements CES.............................................................................................. 172

Figure 7.39 Comparaison de l’impact des ouvrages CES sur les éléments du bilan dans le bassin versant du Merguellil pour : (a) le ruissellement, (b) l’infiltration, (c) l’écoulement et (d) le drainage de la nappe par les oueds.................................... 172

Figure 7.40 Evolution des débits de drainage de la nappe phréatique par les oueds ............. 174 Figure 7.41 (a) Evolution temporelle de la minéralisation des eaux de l’oued Merguellil à la

station hydrométrique de Sidi Boujdaria et (b) sa comparaison avec les débits drainés des aquifères par les oueds. ..................................................................... 174

Figure 7.42 Evolution des débits des sources provenant de la nappe profonde..................... 175 Figure 7.43 Evolution de l’alimentation de la nappe profonde par l’oued Merguellil lors de

son passage sur les grès oligocènes de Bouhafna ................................................ 176 Figure 7.44 Ruptures détectées dans la variable contribution du ruissellement dans

l’écoulement ......................................................................................................... 177 Figure 7.45 Ruptures détectées dans la variable contribution du drainage dans l’écoulement

.............................................................................................................................. 178


xv

Liste des tableaux

Tableau 1.1 Estimation mondiale des quantités d’eau présentent dans les différents

compartiments du cycle de l’eau à chaque instant (UNESCO, 1978) .................. 5 Tableau 1.2 Estimation du flux annuel pour la totalité de la Terre (De Marsily, 2000) ............ 5 Tableau 1.3 Vitesse de circulation et ordre de renouvellement dans les différents

compartiments du cycle de l’eau (Banton et Bangoy, 1997) ............................... 6 Tableau 1.4 Distinctions entre les processus de génération du ruissellement (Wotling, 2000). 9 Tableau 2.1 Caractéristiques morphologiques des sous-bassins du Merguellil (Kingumbi,

1997).................................................................................................................... 24 Tableau 2.2 Classification des différentes entités pédologiques du bassin du Merguellil

(Barbery et Mohdi, 1987 ; Mizouri et al., 1990)................................................. 26 Tableau 2.3 Classification en unités homogènes des différentes entités pédologiques du bassin

du Merguellil ....................................................................................................... 29 Tableau 2.4 Chronologie d’évolution des superficies du bassin du Merguellil aménagées en

banquettes............................................................................................................ 33 Tableau 2.5 Quelques caractéristiques des lacs et barrages collinaires implantés dans le bassin

du Merguellil ....................................................................................................... 37 Tableau 2.6 Indications sur l’évolution de la population de la région d’étude (DGAT, 1992 ;

DGAT, 1995) ...................................................................................................... 38 Tableau 3.1 Périodes d’observation des stations pluviométriques de la zone d’étude ............ 45 Tableau 3.2 Périodes d’observations des stations pluviographiques de la zone d’étude ......... 45 Tableau 3.3 Correspondance entre les stations pluviométriques et leurs zones de référence.. 47 Tableau 3.4 Caractéristiques des données annuelles des stations pluviométriques sélectionnées

pour cette étude ................................................................................................... 50 Tableau 3.5 Caractéristiques des pluies moyennes annuelles (1966-1998) des sous bassins du

Merguellil ............................................................................................................ 52 Tableau 3.6 Pourcentages des classes d’intensités correspondant aux différentes stations

pluviographiques (Dridi, 2000) ........................................................................... 54 Tableau 3.7 Comparaison saisonnière des proportions d’intensités supérieures à 30 mm/h aux

différentes stations pluviographiques (Dridi, 2000)............................................ 54 Tableau 3.8 Périodes d’observation des principales stations hydrométriques du bassin versant

du Merguellil ....................................................................................................... 58 Tableau 5.1 Comparaison des apports de l’oued Merguellil aux stations hydrométriques...... 94 Tableau 5.2 Caractéristiques des stations pluviométriques utilisées dans l’approche locale... 95 Tableau 5.3 Variables utilisées dans l’approche locale............................................................ 96 Tableau 5.4 Ecart type des pluies annuelles (mm) des stations à différentes périodes.......... 103 Tableau 5.5 Etude du caractère aléatoire des variables calculées aux différentes stations.... 103 Tableau 5.6 Etude du caractère normal des variables calculées aux différentes stations. Les

transformations logarithmique (Log), par racine carrée (RC) et par la méthode de Box et Cox (BC) adoptées pour chaque variable et qui ont permis de vérifier ce caractère ............................................................................................................ 104

Tableau 5.7 Dates de rupture détectées par la procédure de segmentation de Hubert (en gras italique) et par la méthode bayésienne de Lee et Heghinian (soulignées) ........ 106

Tableau 5.8 Classes de pluies sélectionnées pour l’approche spatiale................................... 111 Tableau 5.9 Comparaison des valeurs médianes du pourcentage des superficies couvertes par

chaque classe de pluie dans les différentes périodes sélectionnées .................. 115

Liste des tableaux

Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) xvi

Tableau 6.1 Périodes d’observation des principales données de la zone d’étude .................. 122 Tableau 6.2 Entités pédologiques retenues pour le bassin du Merguellil .............................. 126 Tableau 6.3 Différentes occupations des terres du bassin du Merguellil............................... 126 Tableau 6.4 Entités d’homogène production retenues pour le bassin du Merguellil ............. 127 Tableau 6.5 Description des fonctions de production supplémentaires issues de la chronologie

d’implantation des aménagements CES sur le bassin du Merguellil ................ 129 Tableau 6.10 Chronologie des différents types de fonctions de production utilisées et

l’étendue de leur couverture spatiale (Km²) sur le bassin du Merguellil .......... 132 Tableau 7.1 Sorties par les sources de la nappe profonde du bassin du Merguellil ............... 136 Tableau 7.2 Drainage de la nappe phréatique par les oueds du bassin du Merguellil ........... 137 Tableau 7.3 Valeurs des paramètres CRT, DCRT et FN issues de la littérature ................... 138 Tableau 7.4 Caractéristiques statistiques du critère « Erreur absolue » calculées pour les

différentes nappes du bassin du Merguellil....................................................... 140 Tableau 7.5 Débits moyens des cours d’eau (m3/s) et critères « EXPO » pour les 46

simulations sélectionnées .................................................................................. 143 Tableau 7.6 Coefficients (Wj) affectés aux différentes stations hydrométriques pour calculer

le « critère global » en monocritère et en multisite. .......................................... 148 Tableau 7.7 Coefficients (Wi) affectés aux différentes stations piézométriques pour le calcul

du critère global de performance....................................................................... 152 Tableau 7.8 Pourcentage de gain, du « critère global » calculé sur les débits et apporté par la

sélection de 16 au lieu de 69 jeux de paramètres .............................................. 153 Tableau 7.9 Pourcentage de gain, apporté par la sélection de 16 au lieu de 69 simulations, de

piézomètres où le critère « Erreur absolue » est inférieur à un certain seuil,... 154 Tableau 7.10 Valeurs numériques du « Critère global » calculées à partir des 16 jeux de

paramètres sélectionnés et pour les différentes données mesurées. .................. 154 Tableau 7.11 Pourcentages de piézomètres où le critère « Erreur absolue » calculé à partir

des 16 jeux de paramètres sélectionnés est supérieur à un certain seuil ........... 155 Tableau 7.12 Comparaison des critères calculés à partir de la médiane et de la moyenne des

débits calculés par les 16 jeux de paramètres sélectionnés ............................... 156 Tableau 7.13 Comparaison des critères calculés à partir de la médiane et de la moyenne des

piézométries calculées par les 16 jeux de paramètres sélectionnés .................. 156 Tableau 7.14 Dates détectées dans les valeurs reconstituées des différents éléments du cycle

hydrologique par les méthodes de détection de changements dans les séries chronologiques .................................................................................................. 177


xvii

Sigles et abréviations BIRH : Bureau d’Inventaire des Ressources Hydrologiques

CES : Conservation des Eaux et des Sols

CIG : Centre d’Informatique Géologique

CRDA : Commissariat Régional au Développement Agricole

DCES : Direction de Conservation des Eaux et des Sols

DEA : Diplôme d’Etudes Approfondies

DAA : Diplôme Approfondi en Agronomie

DGAT : Direction Générale de l’Aménagement du Territoire

DG/ACTA : Direction Générale de l’Aménagement et de la Conservation des Terres

Agricoles

DG/EGTH : Direction Générale des Etudes et Grands Travaux Hydrauliques

DGRE : Direction Générale des Ressources en Eaux

DRE : Direction des Ressources en Eaux DTH : Document Technique en Hydrologie

EGS : Engineering and General Services

EIER : Ecole Inter-Etats du génie Rural

ENGEES : Ecole Nationale du Génie en Eau et Environnement de Strasbourg

ENIT : Ecole Nationale d’Ingénieurs de Tunis

ENSA : Ecole Nationale Supérieure d’Agriculture

ENSAR : Ecole Nationale Supérieure d’Agriculture de Rennes

ENSMP : Ecole Nationale Supérieure des Mines de Paris

EPFL : Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne

ESIER : Ecole Supérieure des Ingénieurs en Equipement Rural

ETP : Evaporation et Transpiration Potentielles

ETR : Evaporation et Transpiration Réelles

FST : Faculté des Sciences de Tunis

Sigles et abréviations

Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) xviii

HYDRAM : Laboratoire d’Hydrologie et Aménagements

IAHS : International Association of Hydrological Science

IGNF : Institut Géographique National Français

INAT : Institution Nationale Agronomique de Tunisie

INM : Institut National de la Météorologie

IRD : Institut de Recherche pour le Développement

IRESA : Institution de Recherche et Enseignement des Sciences Agricoles

ISIM : Institut des Sciences de l’Ingénieur de Montpellier

ISTE : Institut des Sciences et Technologies de l’Environnement

LMHE : Laboratoire de Modélisation en Hydraulique et Environnement

MERGUSIE : Merguellil Usage Intégré de l’Eau

MNT : Modèle Numérique du Terrain

MSE : Maison des Sciences de l’Eau

NATO : North Atlantic Organisation

OMM : Organisation Mondiale de la Météorologie

ONM : Office National des Mines

ORSTOM : Office de Recherche Scientifique et Technique d’Outre Mer

OTC : Office Tunisienne de la Cartographie

PHI : Programme Hydrologique International

SHE : Système Hydrologique Européen

SERST : Secrétariat d’Etat à la Recherche Scientifique et Technologique

SIG : Système d’Information Géographie

SONEDE : Société Nationale d’Exploitation et de Distribution des eaux

UNESCO : United Nations Education and Science Organization

UTM : Universal Transverse Mercator

WMO : World Meteorological Organization


1

Introduction générale

Le bassin versant de l’oued Merguellil est situé en Tunisie centrale, zone caractérisée par un

climat semi-aride. C’est un bassin assez bien suivi sur le plan hydrométéorologique. En effet,

à la fin des années 1990 une trentaine de stations pluviométriques dont certaines datent du

début du siècle étaient opérationnelles sur ce bassin. Une bonne partie de ces stations a vu le

jour au courant des années 1960, en même temps que les premières observations

pluviographiques et hydrométriques qui ont commencé entre 1965 et 1974.

Il existe aussi un bon réseau d’observation piézométrique des principales nappes en liaison

avec cet oued. Des documents sur le suivi de l’évolution du niveau piézométrique et des

prélèvements sont d’ailleurs édités chaque année pour la nappe profonde et chaque cinq ans

pour la nappe phréatique par la Direction Générale des Ressources en Eau (DGRE).

La Tunisie centrale étant drainée par trois principaux oueds (Merguellil, Nebhana et Zeroud),

il fallait choisir un bassin qui soit représentatif de cette région. Le bassin du Zeroud étant très

grand (environ 10000 Km²), celui de Nebhana étant situé sur la limite Nord de cette région, le

choix a été porté sur le bassin du Merguellil intermédiaire entre ces deux bassins et dont la

taille est moyenne pour bien caractériser ses ressources. Le Merguellil a été aussi choisi pour

son important réseau des mesures hydrométéorologiques.

De nombreuses études ont été menées sur ce bassin et ont principalement porté sur

l’hydrologie et le transport solide (Kallel et al., 1975 ; Ayadi, 1986 ; Bouzaiane et Laforgue,

1986 ; Kebaili-Bargaoui, 1990 ; Kingumbi, 1997 ; Rabhi, 1997 ; Tchatabga, 1998 ; Saada,

2005), les aménagements de Conservation des eaux et des Sols (DCES, 1986 ; Mzali, 1995 ;

DCES, 1996, Dhaouadi, 1998), la modélisation hydrologique des sous bassins (Dhaoui,

1998 ; Gogien, 1998 ; Ben Nosra et Elleuch, 1999 ; Lebdi et al., 2001 ; Cudennec et al.,

2002 ; Nasri et al., 2004), l’hydrogéologie de certaines nappes (Besbes, 1967 ; Hamza,

1976 ; Besbes, 1978 ; Cheib, 1988 ; Nazoumou, 1996 ; Gribaa, 1997 ; Baba Sy, 1999 ;

Nazoumou, 2002), l’étude du fonctionnement et de la gestion du barrage d’El Haouareb situé

à l’exutoire de ce bassin (Smaoui, 1984 ; Smaoui, 1986 ; Hedhli, 1997 ; Ibrahim, 1997 ;

Kingumbi, 1999), et le fonctionnement socio-économique des exploitations agricoles dans la

région d’étude (Kefi, 1999 ; Lardilleux, 2000 ; Faysse et al., 2001 ; Feuillette, 2001 ;

Feuillette et al., 2001).

Le Merguellil est en somme, depuis plus d’une décennie, considéré comme un bassin pilote

pour l’étude des ressources en eau de la Tunisie centrale. Le projet intitulé « MERGUSIE

(Merguellil Usage Intégré de l’Eau)», qui s’occupe de la gestion intégrée de l’eau sur ce

bassin, a été lancé (en 1996) avec un financement du SERST par la Direction Générale des


2

Ressources en Eau (DGRE) en partenariat de plusieurs institutions tunisiennes dont l’ENIT et

l’Institut de Recherche pour le Développement (IRD).

Dans le cadre de ce projet, deux axes de recherches ont été menés en parallèle. Le premier a

concerné l’amélioration de la connaissance de toutes les ressources disponibles dans le bassin

du Merguellil (Kingumbi, 1999 ; Baba Sy, 1999 ; Nazoumou, 2002 ; Jarraya-Horriche, 2003).

Le second axe de recherche s’est focalisé sur les modalités de leur gestion optimale (Faysse et

al., 2001 ; Feuillette et al., 2001 ; Lebdi et al., 2001).

Ce travail se situe dans le premier axe de recherche et contribue à mettre en valeur les

connaissances acquises au niveau des sous bassins pour élaborer un modèle d’ensemble

d’estimation des ressources en eau. Par suite, son objectif est de décrire la répartition spatiale

et temporelle des ressources pluviales, et des ressources en eau superficielles et souterraines.

Nous avons espoir que ce modèle pourra être utilisé dans les prises de décision en ce qui

concerne la gestion de ces ressources et qu’il permettra d’aider les chercheurs embarqués dans

le deuxième axe de recherche à évaluer les scénarios de gestion réalistes, en partant des

estimations ainsi élaborées.

Cette thèse consiste donc en la modélisation du cycle de l’eau dans un bassin d’abord en

écoulement naturel, puis aménagé, pour d’une part améliorer la connaissance des principaux

mécanismes intervenant dans la genèse des écoulements et la recharge des nappes, et d’autre

part pouvoir évaluer en n’importe quel site les apports en surface et souterrains ainsi que

l’impact des différents aménagements.

Une approche statistique est d’abord mise en œuvre à l’échelle locale et régionale pour

détecter les changements de moyenne et évaluer les ressources pluviales (entrée du modèle

hydrologique) à l’aide d’une méthode d’interpolation.

En raison de l’étendue du bassin et de l'hétérogénéité du milieu, le modèle hydrologique le

mieux adapté serait un modèle distribué, ce qui devrait faciliter son interfaçage avec un

modèle de gestion.

L'identification des transferts entre aquifères ou entre ressources de surface et souterraines

nécessite un modèle couplé. Une partie des interactions entre les différentes nappes et l’oued

Merguellil ou entre la nappe d’Aïn Baïdha et la retenue d’El Haouareb ont déjà fait l’objet des

travaux antérieurs (Gribaa, 1997 ; Kingumbi, 1999).

La méthode d'estimation des paramètres du modèle devra pouvoir tenir compte de l’impact

des nombreux aménagements de Conservation des Eaux et des Sols (CES) mis en place

depuis une trentaine d'années et intégrer l'effet des prélèvements d’eau à buts agricoles et

d’alimentation en eau potable.

Ce travail est présenté en six parties. Dans la première partie une revue bibliographique est

présentée sur les méthodes statistiques de détection des changements ainsi que sur la

modélisation hydrologique. Nous y précisons les différentes approches de modélisation

Introduction générale

Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG) 3

existantes ainsi que les raison de choix du modèle utilisé.

Dans la deuxième partie le cadre général de la zone d’étude ainsi que les différentes mesures

et données utilisées dans cette étude sont présentés. Ces données concernent la topographie, le

climat, la pluviométrie, les données hydrométriques, ainsi que les différents aménagements de

conservation des eaux et des sols.

L’analyse des données du système souterrain en vue de la modélisation hydrogéologique fait

l’objet de la troisième partie. Nous y proposons la géométrie et la communication des

différents aquifères en liaison dans ce bassin ainsi que les différentes données nécessaires à la

modélisation hydrogéologique.

Après la présentation de toutes les données de la zone d’étude, une étude sur l’évolution

temporelle de la pluviométrie de la région est menée dans la quatrième partie, pour faire la

part entre les influences climatique et anthropique sur les ressources en eau de ce bassin. En

effet ce bassin ayant connu une baisse des écoulements entre 1989 et 1998, le but est de

chercher la part de la variabilité pluviométrique dans ce phénomène.

La cinquième partie est consacrée à la présentation du modèle hydrologique, la discrétisation

de la zone d’étude et la définition des conditions aux limites pour la mise en œuvre du

modèle, la définition des fonctions de production ainsi qu’à la prise en compte des

aménagements de conservation des eaux et des sols dans la discrétisation temporelle des

paramètres de production.

Dans la dernière partie une modélisation couplée des écoulements superficiels et souterrains

est entamée. Nous essayons de prendre en compte toutes les sollicitations (climatiques et

anthropiques) que le bassin du Merguellil a dû subir. Nous commençons par la restitution du

système en régime non perturbé qui représente un état initial avant qu’il ne soit affecté par

différentes sollicitations. Ensuite une modélisation tenant compte des différentes perturbations

du système est effectuée sur la période d’étude choisie. Il s’agit d’essayer de restituer les

historiques piézométriques et hydrométriques observés tout en tenant compte des différents

changements des états de surface du bassin induits par l’implantations des aménagements de

Conservation des Eaux et des Sols. L’exploitation des résultats nous permet de faire la part

des choses entre les principales causes qui sont à l’origine de la baisse enregistrée des

écoulements du bassin du Merguellil.

1. Etat de l’art sur l’étude de la variabilité dansla modélisation du cycle de l’eau

1-1- Le cycle de l’eauL’eau constitue, de loin, l’élément le plus abondant de notre planète. C’est le constituantprincipal des êtres vivants et la plus grande force de la nature, qui sans cesse régule la formede la surface de la terre. Elle constitue aussi un facteur clé dans la définition des conditionsatmosphériques et joue un rôle primordial dans le progrès et le développement descivilisations.

L’eau existe sur la planète Terre, dans la partie appelée « Hydrosphère » qui s’étend jusqu’àenviron 15 Km dans l’atmosphère et 1 Km dans la lithosphère. L’eau circule dansl’hydrosphère à travers différents compartiments qui constituent son cycle.

Le cycle de l’eau a fait l’objet d’études depuis fort longtemps. Dans la Grèce antique les gensconsidéraient que le cycle de l’eau se faisait par descente (L’Hôte, 1990). Ils supposaient quel’océan se vidait de son eau en profondeur vers les continents, qu’elle se purifiait en traversantles couches de la Terre et qu’elle remontait jusqu’aux sources et rivières. A cette époque leconcept d’évaporation n’avait pas encore vu le jour, ils attribuaient la présence des nuages à lacolère de Zeus.

Perrault (au 17ème siècle) et Halley (entre le 17ème et le 18ème siècle) furent les premiers àdémontrer le cycle de l’eau par ascension : l’eau évaporée des océans et de la surface de laterre est transportée vers l’atmosphère où elle se condense et tombe sous forme deprécipitations. Le gros de ces précipitations retombe sur les océans et une partie sur lescontinents. L’eau précipitée sur les continents peut être interceptée par la végétation, ruisselersur les versants, s’infiltrer profondément pour rejoindre les nappes, s’écouler dans le solcomme écoulement hypodermique, ou se condenser en écoulement en rivières (Chow et al.,1988). Le gros de l’eau interceptée et du ruissellement de surface retourne en atmosphère parévaporation, tandis que l’eau infiltrée peut percoler en profondeur pour alimenter les nappeset finalement ressortir comme sources et alimenter les rivières qui se vident dans les océans.Ainsi le cycle continue de plus bel par l’évaporation vers l’atmosphère des eaux de surface.

L’estimation des quantités d’eau dans les différentes étapes du cycle de l’eau a été l’une desmajeures préoccupations des hydrologues depuis la moitié du 19ème siècle. Cependantbeaucoup de données manquent, en particulier sur les océans (Le Provost, 2000), de ce fait lesquantités dans les différents compartiments du cycle de l’eau restent connues de façongrossière.

Le Tableau 1.1 donne une estimation des quantités d’eau dans ses différentes formes sur laTerre. Il montre que la quasi-totalité des eaux de cette planète résident dans les océans (96,5%de toutes les eaux de la Terre). Le reste est constitué essentiellement de l’eau souterraine(1,7% de toutes les eaux de la Terre) et de la calotte polaire (1,7% de toutes les eaux de la

Chapitre I : Etat de l’art sur l’étude de la variabilité et de la modélisation du cycle de l’eau


Terre). L’eau contenue dans les lacs, les rivières les marais et l’atmosphère ne constitueraitque moins de 0.1% de la totalité d’eau sur la planète Terre.

On constante aussi que sur la totalité des eaux continentales, l’eau potable constitue plus de70%. La quasi-totalité de cette eau (potable) est renfermée dans les calottes polaires (69% del’eau potable) et les nappes souterraines (30% de l’eau potable). Les rivières, les autresglaciers et les lacs d’eau douce ne représentent que 1% de la totalité d’eau potable.

Tableau 1.1 Estimation mondiale des quantités d’eau présentent dans les différentscompartiments du cycle de l’eau à chaque instant (UNESCO, 1978)

Superficie Volume Pourcentage (%) Pourcentage (%)Compartiments

(106 km²) (km3) de l eau total de l eau potableOcéans 361.3 1338000000 96.5000

Eaux souterraines Potables 134.8 10530000 00.7600

Salines 134.8 12870000 00.9300

30.100

Humidité du sol 082.0 16500 00.0012 00.050

Glaciers polaires 016.0 24023500 01.7000 68.600

Autres glaciers 000.3 340600 00.0250 01.000

Eaux des lacs Potables 001.2 91000 00.0070

Salines 000.8 85400 00.0060

00.260

Eaux des marécages 002.7 11470 00.0008 00.030

Eaux des rivières 148.8 2120 00.0002 00.006

Eaux biologiques 510.0 1120 00.0001 00.003

Eau atmosphérique 510.0 12900 00.0010 00.040

Total des eaux 510.0 1385984610 100.0000

Total eaux potables 148.8 35029210 02.5000 100.000

Cette vision statique des quantités d’eau se trouvant dans les différentes composantes du cyclede l’eau ne donne qu’une idée partielle de ce dernier. Il faut y rajouter la vision dynamiquematérialisée de façon plus visible par l’évaporation et les précipitations. Le Tableau 1.2montre qu’une partie de l’évaporation des océans alimente les précipitations sur lescontinents.

Tableau 1.2 Estimation du flux annuel pour la totalité de la Terre (De Marsily, 2000)Sur les continents 71000 km3/an

EvaporationSur les océans 411000 km3/an

Sur les continents 111000 km3/anPrécipitations

Sur les océans 385000 km3/an

La circulation de l’eau entre les différents éléments de son cycle se fait de façons trèsdifférente et avec des vitesses très disparates (Tableau 1.3). C’est ainsi qu’une goutte d’eauséjourne en moyenne 8 jours dans l’atmosphère (le temps entre son évaporation et saprécipitation), alors qu’une autre peut faire une centaine d’années dans le transfert souterrain(entre le moment où elle s’infiltre dans le sol et celui où elle atteint l’océan).

D’autre part, le cycle de l’eau est en réalité composé de plusieurs cycles continentaux,



régionaux et locaux qui sont interconnectés pour former un cycle global (Chow et al., 1988).Ce qui fait que, bien que le volume total de l’eau dans le cycle global de l’eau resteapproximativement constant, la distribution de cette eau change continuellement sur lescontinents, dans les régions et dans les bassins versants.

Tableau 1.3 Vitesse de circulation et ordre de renouvellement dans les différentscompartiments du cycle de l’eau (Banton et Bangoy, 1997)

Vitesse de Temps de séjour Renouvellement (km3/an)Compartiment

circulation (année) phénomène quantitéOcéans et eaux salées m/s 1000 - 10000 évaporation 350

Glaciers et calottes m/an 100 - 1000 évaporation et fonte très faible

Eaux souterraines m/an 100 - 10000 écoulement et vaporisation 12

Lacs et plans d eau m/s 10 - 100 écoulement Inclus aux rivières

évaporation 70Humidité du sol m/mois 1.1 - 1

infiltration 12

Atmosphère m/s 0.01 - 0.1 précipitation 420

Rivières m/s 0.01 - 0.1 écoulement 40

1-2- Modélisation de la variabilité du cycle de l eau1-2-1- Variabilité ou changement climatique

Un changement climatique suppose la dégradation à long terme des valeurs moyennes descaractéristiques statistiques des variables étudiées sur des périodes de longue durée. Cettenotion diffère de celle de la variabilité climatique qui suppose la stationnarité et décrit lafluctuation des valeurs saisonnières ou annuelles par rapport aux valeurs temporelles deréférence (Ouarda et al., 1999).

Plusieurs manifestations climatiques récentes de grande ampleur ont poussé la communautéscientifique mondiale à s’intéresser aux changements climatiques et à leurs conséquencessocio-économiques. Parmi ces manifestations on peut citer : la couverture spatiale et lecubage des grands glaciers qui ne cessent de diminuer depuis quelques décennies, lasécheresse qui a touché les deux bandes tropicales de notre planète (surtout les régionssahéliennes d’Afrique de l’ouest) depuis les années 70 (Sircoulon, 1976), la récurrence plusimportante des phénomènes d’El Niño (Vandiepenbeeck, 1998) et le constat mis en évidencepar l’Organisation Mondiale de la Météorologie (OMM) sur le réchauffement de la planète de0.5 °C depuis la moitié du siècle dernier (Cantat, 1995).

La mesure précise de diverses données et leur interprétation statistique font partie desprincipales résolutions prises par la communauté scientifique en vue d’améliorer lacompréhension des phénomènes climatiques.

1-2-2- Variables étudiées pour caractériser l évolution du climat

Le cycle de l’eau étant l’une des manifestations majeures du climat, son suivi permetd’appréhender certains aspects d’évolution du climat. Ainsi Mitosek indique que les élémentsles plus appropriés pour le suivi du climat sont (Ouarda et al., 1999) : les débits des rivières,



les niveaux des lacs, les précipitations, les températures de l’air et de l’eau, les dates derupture du couvert de glace, la durée du couvert de glace et le niveau des eaux souterraines.

Parmi ces éléments, la pluviométrie constitue l’élément le plus accessible par les mesuresdans diverses régions du monde à partir duquel plusieurs variables peuvent être déduites etétudiées. Parmi lesquelles on peut citer : la pluviométrie annuelle (Hubert et Carbonnel,1987), la pluviométrie saisonnière (Kingumbi et al., 2005a), le nombre de jours de pluie(Servat et al., 1999), les fortes intensités de pluie (Tarhule et Woo, 1998), l’étendue couvertepar les pluies (Kingumbi et al., 2005a), la durée de la saison pluvieuse (Bello, 1998), etc.

Ces éléments ont été étudiés dans diverses régions de la planète pour essayer de détecterd’éventuels signes de changement climatique. En Afrique sahélienne et non sahéliennebeaucoup d’auteurs ont mis en évidence, à partir des séries hydro-pluviométriques, une phasesèche qui a débuté vers les années 1970 et qui a perduré jusqu’à la fin des années 1990. Danscette région, il ressort de nombreuses études : une diminution de la pluviométrie annuelle(Hubert et Carbonnel, 1987 ; Moron, 1994 ; Paturel et al., 1995 ; Paturel et al., 1997 ; Servatet al., 1997 ; Tarhule et Woo, 1998 ; Servat et al., 1999) ; du nombre de jours de pluie(Paturel et al., 1997 ; Servat et al., 1997 ; Houndénou et Hernandez, 1998 ; Tarhule et Woo,1998 ; Servat et al., 1999) ; et de l’occurrence des fortes intensités de pluie (Houndénou etHernandez, 1998 ; Tarhule et Woo, 1998). Les débits des rivières (Sircoulon, 1987 ; Opoku-Ankomah et Amisigo, 1998) et les niveaux des lacs (Sircoulon, 1987) ont également baissé, eten même temps un raccourcissement de la saison pluvieuse a été mis en évidence par Bello(1998) et Servat et al. (1999).

1-2-3- Méthodes utilisées pour caractériser l évolution des éléments du cycle de l eau

Les éléments du cycle hydrologique peuvent avoir trois principaux types detendances (Berryman, 1984) : une tendance monotone (croissante ou décroissante), unetendance en saut et une tendance en escalier. Divers tests ont été développés pour détecter cestendances dans les séries temporelles (WMO, 1966 ; Berryman 1984 ; Cavadias, 1994 ; Lubèset al., 1994).

Dans cette étude nous nous intéressons particulièrement à une tendance en saut des variableshydrologiques qui peut être modélisée en considérant deux types de modifications : unchangement de la moyenne et un changement de la variance (Coles, 2001). Trois méthodes,que nous utiliserons dans la suite, sont adaptées à l’étude du changement dans la moyenne etont été largement appliquées. Il s’agit du test de Pettitt (1979), de la procédure desegmentation des séries hydropluviométriques de Hubert et Carbonnel (1987) et de laprocédure bayésienne de Lee et Heghinian (1977).

Comme tous les tests statistiques, ces trois méthodes permettent d’affirmer ou d’infirmer unehypothèse nulle (H0). Le rejet (non rejet) de cette hypothèse nulle (H0) implique l’acceptation(non acceptation) d’une hypothèse alternative (H1). Deux types d’erreurs peuvent être alorscommises (Berryman, 1984) :



- Erreur de type I (de probabilité α) : le rejet de l’hypothèse nulle (H0) alors qu’elle estvraie ou l’acceptation de l’hypothèse alternative H1 alors qu’elle est fausse;

- Erreur de type II (de probabilité β) : l’acceptation de l’hypothèse nulle (H0) alorsqu’elle est fausse ou le rejet de l’hypothèse alternative H1 alors qu’elle est vrai.

L’application d’un test statistique quelconque nécessite habituellement la fixation de laprobabilité α à 1% ou 5%, c’est le niveau ou seuil de signification de ce test. On appelle lapuissance de ce test la quantité (1-β) qui est en fait la proportion de cas où l’on va rejeterl’hypothèse nulle alors qu’elle est fausse ou accepter H1 lorsqu’elle est vraie. On désigneaussi par la robustesse d’un test statistique la propriété par laquelle son résultat s’avère êtreindépendant du fait que ses conditions théoriques d’application sont ou ne sont pas vérifiées.Cette propriété peut être particulièrement utile aux hydrologues qui rencontrent souvent desdifficultés pour vérifier la validité des conditions d’application de l’une ou l’autre méthodestatistique mise en oeuvre (Lubes-Niel et al., 1998).

1-2-4- Usage des méthodes sur le bassin du Merguellil

Les méthodes de détection des changement dans la moyenne (le test de Pettitt (1979) ; laprocédure de segmentation des séries temporelles de Hubert et Carbonnel (1987) et laméthode bayésienne de Lee et Heghinian (1977)) seront utilisées dans le cinquième chapitrede cette étude sur les séries chronologiques des pluies calculées à l’échelle spatiale et locale.Elles seront aussi utilisées dans le dernier chapitre pour détecter d’éventuels changementsdans les séries générées par le modèle hydrologique.

1-3- Modélisation hydrologique du cycle de l eau1-3-1- Mécanismes de genèse d écoulement et de recharge des nappes

Etudier le cycle de l’eau au niveau d’un bassin versant revient à étudier l’ensemble de sescomposantes et leurs interactions. L’étude de la composante précipitation a été entreprise parle biais de l’analyse statistique. Celle des autres composantes (infiltration, évapotranspirationréelle, ruissellement et écoulement) sera réalisée par le biais de la modélisation hydrologique.

L’eau continentale pouvant être localisée soit en surface soit dans le sous-sol, deux branchesont été développées séparément. Ces dernières étant, cependant, intimement liés il convient depréciser, à l’amont de toute quantification des ressources en eau, l’influence de l’une surl’autre. C’est ainsi que la connaissance des mécanismes de recharge des nappes revêt uneimportance capitale en hydrologie, particulièrement si les ressources en eau de surface sontlimitées. D’autre part, l’écoulement des eaux de surface, se manifestant parfois par desinondations et des dégâts matériels considérables, plusieurs auteurs ont tenté d’étudier, sesdifférents mécanismes de genèse en liaison avec l’analyse du risque.

1-3-1-1- Mécanismes de genèse d’écoulement

Le volume d’une crue peut être décomposé en trois principales parties : le ruissellement de



surface, l’écoulement hypodermique et l’écoulement de base (Réméniéras, 1965).L’importance de chacune de ces grandeurs dépend du milieu étudié, des conditions initialesde l’écoulement, et des caractéristiques de l’événement pluvieux (distribution spatio-temporelle, intensité et volume).

1-3-1-1-a- Ruissellement de surface

Les hydrologues distinguent classiquement deux processus de génération du ruissellement desurface : les processus de type hortonien (Horton, 1933 ; Beven, 2004) et les processus parexcès de saturation.

Le ruissellement hortonien ou ruissellement par refus d’infiltration apparaît lorsque l’intensitédes précipitations dépasse la capacité d’infiltration du sol. Cette dernière évolue au cours del’averse entre la capacité d’infiltration initiale et la capacité d’infiltration à saturation du sol.

Contrairement au ruissellement hortonien qui se fait par dépassement de la capacitéd’infiltration, le ruissellement par excès de saturation est généré par un dépassement de lacapacité de stockage. Il a lieu lorsque le sol dépasse, durant une averse donnée, ses capacitésde stockage et de transmission latérale et verticale du flux d’eau. Ce concept est lié a celui deszones contributives à superficie variable (Kirby, 1978) qui suppose que les zones saturées eneau augmentent au cours d’un événement pluvieux.

Tableau 1.4 Distinctions entre les processus de génération du ruissellement (Wotling, 2000)Refus d infiltration Excès de saturation

Seuil intensité volume

Processus soustractif multiplicatif

Origine saturation par le haut saturation par le bas

Pédologie sol peu perméable sol perméable

Localisation généralisé, versant localisé, dépression, talweg

Climat zone aride zone humide

Les distinctions élaborées par Wotling (2000) entre ces processus de génération deruissellement sont résumées dans le Tableau 1.4. Chacun des deux processus de génération duruissellement est fonction du type de climat. C’est ainsi que le modèle d’Horton estprédominant dans les régions arides tandis que celui d’excès de saturation est prépondérantdans les régions plus humides. Il est cependant nécessaire de préciser que ces deux processuspeuvent avoir lieu sur un même bassin et pendant un même épisode pluvieux (Wotling, 2000).

1-3-1-1-b- Ecoulement hypodermique

Ces écoulements sont désignés par différents termes (écoulements hypodermiques,écoulements sub-superficiels, écoulements rapides internes, inféroflux, subsurface flow,throughflow, interflow, etc.) du fait de l’incertitude sur les processus liés à leur genèse. Ils sefont dans la partie superficielle du sol (zone non saturée). Il a été montré que pour les solsprésentant une forte perméabilité (milieu forestier humide par exemple), les écoulementshypodermiques constituent la principale composante des crues (Hewlett et Hibbert, 1967).Dans les zones semi-arides ces écoulements sont plus limités du fait de la faiblesse des



épaisseurs des sols et à cause de la formation de la croûte de battance qui empêchel’infiltration de l’eau dans le sol.

Les mécanismes impliqués dans la genèse des écoulements hypodermiques sont mal connusdu fait de la difficulté d’effectuer des mesures et de l’hétérogénéité des sols. Quelquesconcepts ont cependant été présentés dans la littérature : le concept de flux à travers la matriceporeuse ou flux darciens (Moore et Grayson, 1991), celui de flux à travers les macropores(Obled, 1999), celui de flux à proximité d’une zone imperméable (Tani, 1997), celui de fluxpar effet capillaire (Pearce et al., 1986), celui de flux par effet piston (Hewlett et Hibbert,1967), et celui de flux par exfiltration.

1-3-1-1-c- Ecoulement de base

L’écoulement de base désigne la partie du débit de la rivière qui provient de la nappe. Dansles bas-fonds des vallées humides la nappe phréatique affleure et un suintement d’eau peuts’acheminer jusqu’à la rivière (De Marsily, 1994). Ces eaux jouent le rôle de régulateur, ellesne représentent qu’une infime quantité en période de crue mais leur importance s’accroît enpériode d’étiage jusqu’à représenter la totalité de l’écoulement des rivières en période sèche.

1-3-1-2- Mécanismes de recharge des nappes

Le flux de percolation d’eau qui parvient à la nappe et qui représente ainsi un apportadditionnel à sa réserve constitue ce qu’on appelle la recharge de cette nappe (Simmers,1988 ; Nazoumou, 1996 ; Nazoumou et Besbes, 2000 ; Nazoumou, 2002 ; De Vries etSimmers, 2002). Elle peut s’accomplir verticalement ou latéralement à partir d’un autresystème aquifère.

Elle peut également se faire de façon artificielle ou naturelle. En zone aride, trois mécanismesqui régissent la recharge naturelle des nappes ont été décrits par Simmers (1997) :

- la recharge par percolation verticale des précipitations à travers la zone non saturée,appelée recharge directe ;

- la recharge à partir d’une accumulation d’eau dans les dépressions de surfaceappelée recharge intermédiaire ou localisée;

- et la recharge par percolation de l’eau à travers les lits des cours d’eau appeléerecharge indirecte.

Cette description qui peut apparaître très simpliste, ne reflète pas toute la complexité desmécanismes de recharge qui peuvent accourir simultanément.

La recharge artificielle se fait au niveau des ouvrages de recharge qui peuvent être soit desouvrages d’épandages (puits, bassins d’infiltration, anciennes carrières et lits des oueds) soitdes puits d’injection directe.

La recharge des nappes a lieu sous tous les climats, même dans les régions les plus arides(Baba Sy, 2005). Cependant, au fur et à mesure que l’aridité augmente, les recharges indirecte



et intermédiaire prennent plus d’importance que la recharge directe (De Vries et Simmers,2002). L’hypothèse avancée par divers travaux (Gribaa, 1997 ; Baba Sy, 1999) est que lesnappes du bassin du Merguellil s’alimentent principalement par des fronts d’infiltration, quisurviennent pendant les gros évènements pluvieux, sur les affleurements aquifères et auniveau des piedmonts des reliefs.

1-3-2- Quantification des composantes du cycle hydrologique

1-3-2-1- Approche du bilan hydrologique

Les mécanismes intervenant dans le cycle de l’eau étant nombreux et complexes, il est plusjudicieux de les étudier sur un espace bien délimité. C’est ainsi que le concept de bassinversant, qui définit un territoire sur lequel tous les écoulements des eaux de surfaceconvergent vers un même point (l’exutoire), a été introduit en hydrologie de surface. Ceconcept a été étendu à l’hydrologie souterraine en définissant le bassin versanthydrogéologique comme un volume d’espace superficiel et souterrain contribuant auxécoulements observables en un point donné similairement appelé l’exutoire (Banton etBangoy, 1997). Il est cependant nécessaire de rappeler que les bassins versant superficiel etsouterrain correspondent rarement, ce qui fait qu’il faut bien les délimiter pour ne pas aboutirà une estimation erronée des éléments du bilan.

Sur une portion de l’espace ainsi délimitée (bassin versant), il est possible d’effectuer un bilanentre les entrées et les sorties ainsi que les échanges entre les différents compartiments ducycle hydrologique. L’équation générale établissant le bilan hydrologique peut s’écrirecomme suit (éq. 1.1).

SRETP ∆=−− (1.1)

Avec P les précipitations, ET l’évapotranspiration, R le ruissellement et ∆S la variation dustock dan le bassin versant.

La réalisation d’un bilan hydrologique représentatif exige la connaissance précise des limitesdu bassin versant pour cerner les entrées et les sorties. Elle demande aussi un choix de lapériode sur laquelle s’effectue le bilan, puisque cette dernière peut permettre de faire le choixde simplifier ou d’approfondir certains termes du bilan.

1-3-2-2- Approche systémique et modélisation du cycle de l’eau

Un système est défini comme étant une structure ou un volume dans l’espace, bordé par unelimite, qui subit des entrées, leur applique des transformations internes et produit des sorties.

Le cycle hydrologique peut être traité comme un système dont les composantes sont lesprécipitations, l’évaporation, l’infiltration et le ruissellement. Ces dernières peuvent êtreregroupées en sous-systèmes de l’ensemble du système pouvant être traités séparément etleurs résultats combinés suivant les interactions qui les relient.

La structure du système hydrologique est ainsi donnée par la totalité des chemins



d’écoulements à travers lesquels l’eau peut passer du point d’entrée au point de sortie et par lafrontière du domaine.

La surface et le sous-sol sont constitués d’innombrables chemins d’eau possibles. Le long dechaque chemin, la forme, la pente et la rugosité changent continuellement d’une place à uneautre et également dans le temps en fonction de l’humidité du sol. Par ailleurs lesprécipitations varient aléatoirement dans l’espace et le temps. Suite à ces complications, il estdifficile de décrire avec exactitude les processus hydrologiques par les lois physiques. Enutilisant le concept systémique, l’effort est directement porté à la construction d’un modèlereliant les entrées et les sorties plutôt qu’à une représentation exacte des détails de la structuredu système, qui peuvent être inconnus, et ne se justifient pas sur le plan pratique (Chow etal., 1988).

L’analyse des systèmes hydrologiques a pour but d’étudier leur fonctionnement et prédireleurs sorties. Un modèle d’un système hydrologique est une approximation du système réel,ses entrées et ses sorties sont des variables hydrologiques mesurables et sa structure estconstituée d’une série d’équations reliant les entrées aux sorties.

1-3-3- Classification des modèles hydrologiques

Les modèles hydrologiques peuvent être divisés en deux catégories : les modèles physiques etles modèles abstraits. Les modèles physiques se composent de modèles d’échelle, quireprésentent le système à une échelle réduite, et les modèles analogiques qui imitent lespropriétés d’un système physique dont le fonctionnement est proche de celui du systèmehydrologique.

Les modèles abstraits représentent le système hydrologique de façon mathématique. Lefonctionnement du système est décrit par une série d’équations qui relient les variablesd’entrée et de sortie. Ces variables peuvent être fonction de l’espace et du temps et peuventêtre probabilistes.

Développer un modèle avec des variables aléatoires qui dépendent de trois dimensions del’espace et du temps est une tâche très difficile. Pour des raisons pratiques il est nécessaire defaire quelques simplifications en négligeant certaines sources de variations. Les modèlespeuvent être ainsi classifiés selon la simplification effectuée (Chow et al., 1988) :

- Les modèles déterministes ne considèrent pas le caractère aléatoire des variables.Une entrée donnée produit toujours une même sortie. Alors que les modèlesstochastiques ont au moins des sorties qui sont partiellement aléatoires.

- Tenant compte de la variation spatiale, les modèles déterministes peuvent êtreclassés en modèles globaux ou distribués, alors que les modèles stochastiques sontclassifiés en modèles spatialement corrélés ou spatialement indépendants.

- Considérant la variation temporelle, les modèles déterministes peuvent être classésen modèles stationnaires ou non stationnaires. Tandis que les modèles stochastiques



peuvent être classés en modèles temporairement corrélés ou temporairementindépendants.

Bien que les processus de transformation pluie débit soient continus, la complexité spatio-temporelle des processus de genèse d’écoulements a poussé les hydrologues à écrire lesmodèles hydrologiques en deux phases : la production et le transfert. La production renvoie àtous les processus qui consistent à transformer la pluie bruite en pluie nette. Celle-ci étant laquantité qui participe effectivement aux écoulements. Les observations ont montré qu’elle neconstitue qu’une part de la pluie brute dont il faut retrancher les pertes. L’interception par lesplantes et les dépressions, l’évaporation et l’infiltration constituent l’essentiel des pertes. Letransfert consiste, quant à lui, à transporter les quantités ainsi produites vers l’exutoire dusystème.

Il existe deux types de modèles de production : les modèles mécanistes et les modèlesconceptuels. L’approche mécaniste a pour fondement théorique les équations d’écoulementsen milieu non saturé de Richards et d’autres équations plus simplifiées (l’équation de Horton,l’équation de Philip, l’équation de Green-Ampt, l’équation cinématique etc.). L’approcheconceptuelle transforme la pluie brute en pluie nette sans décrire les divers processusintervenant dans cette transformation, mais en utilisant les concepts de coefficientsd’écoulement, les concepts des pertes, les modèles à réservoirs etc.

Comme dans le cas de la production, deux approches ont également été développées pourdécrire la fonction de transfert : l’approche mécaniste et l’approche conceptuelle. L’approchemécaniste est surtout basée sur les équations de Barré Saint Venant (le modèle de l’ondedynamique, le modèle de l’onde diffusante et le modèle de l’onde cinématique). L’approcheconceptuelle se divise en modèles phénoménologiques (schématisation avancée desphénomènes) et les modèles systémiques (la théorie de l’hydrogramme unitaire, le modèle deMuskingum, etc.).

1-3-4- Calage des modèles hydrologiques

Comme toute démarche scientifique, la modélisation hydrologique suit un certain nombred’étapes rigoureusement choisies (Anderson et Woessner, 1992 ; Refsgaard, 1996 ; Scholtenet al., 2001). Les étapes généralement suivies sont les suivantes :

- la définition de la problématique,

- le choix du modèle correspondant à la problématique traitée et à la nature desdonnées disponibles,

- la saisie, la collecte et l’analyse critique des données,

- l’élaboration d’un modèle conceptuel du fonctionnement du système,

- le calage du modèle avec une partie des données,

- la validation du modèle sur l’autre partie des données,



- l’utilisation du modèle pour la prévision hydrologique ou la simulation ducomportement du système sous certaines conditions.

- et le post-audit, qui est une étape ultime effectuée longtemps après la mise enapplication du Modèle. Elle consiste à vérifier si les prévisions faites par le modèleont été réalisées.

Le calage est donc une des étapes fondamentales dans la démarche de modélisationhydrologique. Elle consiste à rechercher les valeurs optimales des paramètres des différenteséquations (régissant l’écoulement) utilisées dans le modèle hydrologique (Anderson etWoessner, 1992).

1-3-4-1- Sources d’incertitudes dans les modèles hydrologiques

Les différences entre les données mesurées sur le terrain et les sorties simulées par un modèlepeuvent fondamentalement provenir de quatre sources d’incertitudes (Refsgaard et Storm,1996 ; Engeland et al., 2005) :

- Les erreurs aléatoires ou systématiques provenant des données (précipitations,températures, évapotranspiration, etc.) utilisées pour représenter la variation dansl’espace et le temps des entrées du système ainsi que ses conditions aux limites,

- Les erreurs aléatoires ou systématiques dans les données des sorties du modèle(nivaux d’eau dans une rivière, niveaux piézométriques, débits d’une rivière, etc.),

- Les erreurs dues à une structure incomplète ou biaisée du modèle, qui peut ne pasconvenir à la représentation des phénomènes mis en jeux dans le système,

- Les erreurs dues aux valeurs des paramètres du modèle qui peuvent ne pas êtreoptimales.

Ces différentes sources d’erreurs sont difficiles à appréhender individuellement parce que lesmodèles tendent à compenser les insuffisances dans certains compartiments par desréajustements dans leurs autres compartiments et paramètres. A titre d’exemple, en vued’obtenir un bon critère numérique de calage, un modèle peut compenser la défaillance dansles données mesurées (faiblesse dans la précision ou l’exactitude des données) en adoptantdes valeurs des paramètres qui ne sont pas optimales.

1-3-4-2 - Méthodes de calage des modèles hydrologiques

La procédure de calage consiste à estimer les paramètres qui ne peuvent pas être directementestimés à partir des mesures. Pour les mesures locales, l’étude de l’incertitude induite par lesséries moyennées dans l’espace ou issues de l’interpolation spatiale des données locales peutaussi rentrer dans la procédure de calage. Il existe trois méthodes de calage : calage manuel,calage automatique et calage mixte.

1-3-4-2-a- Ajustement manuel des paramètres

Le calage manuel consiste à assigner manuellement des valeurs aux paramètres et d’évaluer



l’erreur correspondante entre les sorties du modèle et les observations. Plusieurs essais sontainsi effectués jusqu’à l’obtention des valeurs des paramètres qui donnent des résultatssatisfaisants par rapport l’objectif fixé. Cette méthode a, le plus souvent, recours à lareprésentation graphique des résultats des différentes simulations pour faciliter le choix par lemodélisateur de la simulation la plus appropriée. Elle est, de loin, la plus répandue et la plusrecommandée particulièrement pour des modélisations compliquées (Refsgaard et Storm,1996).

1-3-4-2-b- Optimisation automatique des paramètres

Cette méthode utilise un algorithme numérique qui cherche un extremum d’un critèrenumérique donné. L’objectif de cette démarche est de chercher un ensemble de paramètresqui satisfait un critère donné de précision, à travers plusieurs combinaisons possibles desvaleurs des paramètres.

Bien que le calage automatique ait l’avantage d’être rapide, il présente cependant quelquesinconvénients (Refsgaard et Storm, 1996) :

- le critère à optimiser est un critère unique qui ne tient pas compte forcément detoute la complexité du modèle ;

- si le modèle contient beaucoup de paramètres la méthode de recherche del’optimum peut conduire à un minimum local ;

- beaucoup de théories à la base des algorithmes assument que les paramètres dumodèle sont mutuellement indépendants, ce qui n’est pas toujours le cas ;

- un algorithme automatique ne peut pas distinguer les différentes sources d’erreurs,il peut ainsi essayer de compenser les erreurs des données par le réajustement desparamètres ;

- le développement de ces algorithmes automatiques peut prendre beaucoup detemps ;

- et enfin calibrer un modèle suppose le choix d’une fonction objective c’est à direadopter une technique statistique basée sur l’analyse des résidus et négligercomplètement les caractéristiques physiques du modèle. Ainsi, au lieu de miser sur lacapitalisation de la connaissance intrinsèque de la structure du modèle, le calageautomatique stigmatise les incertitudes inhérentes à toute analyse statistique (Todini,1988).

1-3-4-2-c- Combinaison des calages manuel et automatique

La combinaison des deux techniques est aussi envisageable. On peut commencer par uneméthode de calage et terminer par l’autre. Si on commence par un calage manuel, il peuts’agir de déterminer l’intervalle de variation des paramètres et utiliser après un calageautomatique dans cet intervalle pour déterminer les valeurs optimales des paramètres. Dans le



cas contraire, il peut s’agir d’effectuer d’abord une étude de sensibilité sur les paramètres, parun calage automatique, pour déterminer les paramètres les plus importants. Par la suite uncalage manuel peut être utilisé pour déterminer les valeurs de ces paramètres. Cettecombinaison de calages manuel et automatique peut être très utile, mais elle n’est pas trèsrépandue (Refsgaard et Storm, 1996).

1-3-4-3- Joindre les approches stochastique et déterministe dans le calage des modèleshydrologiques

Partant du fait qu’une partie importante des processus hydrologiques peut être décrite parl’approche déterministe et que l’information sur les paramètres et les variables d’entrées desmodèles sera toujours incomplète, plusieurs méthodes basées sur la jointure des approchesdéterministe et stochastique ont été développées. Parmi ces approches on peut citer latechnique de Monté Carlo et l’approche GLUE (Generalised Likelihood UncertaintyEstimation).

La technique de Monté Carlo consiste à exécuter un modèle déterministe à plusieurs reprisesen utilisant différentes réalisations équiprobables du champ des paramètres en vue d’estimerl’incertitude sur les simulations. L’approche GLUE permet de combiner les informations deplusieurs séries d’observations par une approche bayésienne (Beven et Binley, 1992) pouratteindre la même finalité.

La jointure des approches stochastique et déterministe permet de transmettre une descriptionprobabiliste, qui provient des incertitudes inhérentes aux variables d’entrée, à la variabilitéspatiale des valeurs des paramètres et à la structure du modèle, aux variables de sorties desmodèles déterministes (Refsgaard, 1996).

1-3-4-4- Critères numériques d’évaluation des performances de calage des modèleshydrologiques

Il existe plusieurs critères d’évaluation des performances des modèles (Dezetter, 1991 ;Ayadi, 2000). Nous allons en utiliser deux dans cette étude : le critère Expo (éq. 1.2) quireprésente l’exponentiel du rapport de l’erreur quadratique moyenne sur la variance desobservations (Lamb et al., 1998) et le critère Erreur absolue (éq. 1.3) qui représente lamoyenne de la valeur absolue de l’erreur. Le critère Expo est dérivé du critère de Nash (Nashet Sutcliffe, 1970) communément utilisé pour la validation des débits alors que le critèreErreur absolue est bien adapté à la validation des données piézométriques.

Ces critères sont mono-objectifs (optimisation des débits ou des piézométries) et ne donnentqu’une idée partielle des performances du modèle. Nous avons défini en complément uncritère global (éq. 1.4) d’évaluation des performances de chaque simulation qui tient comptede l’ensemble des données. Ce critère, qui considère à la fois les données piézométriques ethydrométriques, ressemble au maximum de vraisemblance utilisé par Lamb et al. (1998). Despoids Wj ont été affectés à chaque station de mesure j de telle sorte qu’un poids égal entre lesmesures hydrométriques et piézométriques soit assuré. En ce qui concerne les données



hydrométriques, le poids de chaque station a été défini en se basant sur le nombre d’annéesd’observations. Pour les données piézométriques, les poids ont été affectés à chaque station ense basant sur l’importance de l’exploitation de la nappe surveillée.

( )

( )

∑ −

∑ −−=

=

=n

iooi

n

ioici

qq

qqExpo

1

21

2

exp (1.2)

Avec ciq et oiq les débits calculé et observé à l’instant i et oq la moyenne des n valeurs

observées utilisées pour le calcul du critère.

∑=

−=n

ioici qq

nabsolueErreur

1

1 (1.3)

Avec ciq et oiq les valeurs calculée et observée à l’instant i et n l’effectif total utilisé pour le

calcul du critère.

Ce critère (éq. 1.4) présente l’avantage de pouvoir être appliqué, pour un type de données, sitepar site (auquel cas il devient le critère Expo, défini plus haut) ou région par région.

( )( )

∑ −

∑ −−∗=

=

=

=∑ nj

ijojio

nj

ijiojicM

jjs

yy

yyWglobalCritère

1

2

,,,

1

2,,,,

1exp (1.4)

Avec jicy ,, et jioy ,, les valeurs (débit ou niveau piézométrique) calculée et observée à l’instant

i et à la station j ; joy , la moyenne des nj valeurs observées à la station j ; Wj le poids affecté

à la station j ; M le nombre total des stations de mesure (hydrométriques et piézométriques) ;et s le numéro de la simulation.

1-3-5 Prise en compte des aménagements dans la modélisation hydrologique

Deux catégories d’aménagements anthropiques peuvent se dégager : l’aménagement à grandeéchelle qui consiste à changer l’occupation d’une grande région (l’urbanisation, ladéforestation, l’agriculture intensive, etc.) et l’aménagement par l’implantation des ouvrageshydrauliques (de la petite à la grande hydraulique).

L’étude de l’impact de ces aménagements sur le cycle de l’eau dans un bassin versant peutêtre abordée de deux manières. La première consiste à analyser les données dufonctionnement des ouvrages implantés, tel que Kingumbi et al. (2004) l’ont fait sur lebarrage d’El Haouareb.

La deuxième approche adopte la modélisation hydrologique. Dans cette approche, le choix dumodèle dépend de l’échelle du bassin et de la nature des actions anthropiques à représenter.Pour des parcelles et des petits bassins, généralement les modèles à base physique sont lesplus utilisés (Carluer et De Marsily, 2005). Cependant d’autres approches telle que



l’hydrogramme unitaire peuvent être adaptées et utilisées (Cudennec et al., 2004 ; Nasri et al.,2004). A cette échelle, seuls les petits ouvrages sont représentés tels que les banquettes (Nasriet al., 2004), les lacs collinaires (Cudennec et al., 2004), les drains (Slama et al., 2004) et lesouvrages agricoles (Carluer et De Marsily, 2005).

Pour les grands bassins, les modèles à base physique sont lourds à mettre en place à cause dela quantité de paramètres à mesurer et du temps de calcul nécessaire (Refsgaard et Abbot,1996). Les modèles conceptuels sont ainsi les plus utilisés et les actions anthropiquesconcernées sont celles qui couvrent de grandes échelles telles que les grands barrages (Ayadiet Bargaoui, 1998), l’urbanisation ou la déforestation (Hundecha et Bardossy, 2004). Danscette approche (conceptuelle), les ouvrages sont pris en compte à travers les paramètres dumodèle hydrologique. De même, dans les modèles statistiques les non-stationnarités peuventêtre prises en compte à travers l’évolution temporelle des paramètres (Coles, 2001).

1-3-6- Choix du modèle hydrologique

L’objectif poursuivi dans cette étude est la modélisation du cycle superficiel et souterrain del’eau dans un bassin versant. Comme dans toute démarche scientifique, nous avons uneadéquation à faire entre les ressources disponibles et les objectifs à atteindre. Deux modèleshydrologiques sont disponibles et prêts à l’emploi : MODCOU (Ledoux, 1980) et MIKE SHE(Abbott et al., 1986a ; Abbott et al., 1986b ; Storm et Refsgaard, 1996). MODCOU a étéélaboré au Centre d’Informatique Géologique (CIG) de l’Ecole Nationale Supérieure desMines de Paris. Dans ce modèle le cycle de l’eau est schématisé de façon conceptuelle pourles écoulements de surface et en zone non saturée. MIKE SHE a été élaboré au DanishHydraulic Institute (DHI) et est basée sur l’approche à base physique aussi bien en surfacequ’en souterrain.

Le bassin du Merguellil étant de taille moyenne et ayant subi de nombreux aménagements deconservation des eaux et des sols, une approche par modélisation conceptuelle nous sembleplus appropriée pour simuler son cycle hydrologique et prendre en compte les différentschangements d’état de surface. D’autre part, nous ne disposons que d’un nombre limité dedonnées qui ne peuvent suffire pour mettre en marche un modèle à base physique de façonadéquate. C’est ainsi que le modèle MODCOU a été préféré à MIKE SHE. Par ailleurs, lemodule de simulation des écoulements souterrains de MODCOU est apparenté à MULTIC(Besbes et al., 1991) déjà utilisé sur deux nappes (Baba Sy, 1999 ; Gribaa, 1997) du bassin duMerguellil.

1-4- ConclusionPlusieurs indices tendent à montrer que le climat de la Terre est en train de changer.Différents organismes internationaux se sont penchés sur la question et ont émis quelquesrésolutions parmi lesquelles le suivi et l’analyse des principaux éléments qui caractérisent leclimat.



Le cycle de l’eau étant l’une des principales manifestations du climat, nous avons présentédans la première partie les principales variables susceptibles de caractériser ce cycle et quipourraient ainsi permettre de caractériser le climat. Ensuite le point a été fait sur lesdifférentes méthodes statistiques utilisées à l’heure actuelle pour étudier l’évolution de cesvariables.

Dans la deuxième partie les principaux concepts de la modélisation hydrologique ont étéprésentés. L’appréhension des éléments du cycle de l’eau étant le but de toute modélisationhydrologique, nous avons commencé par présenter ce dernier. Les hydrologues ont développécertains concepts pour simplifier la représentation des processus qui influent sur le cycle del’eau et pouvoir ainsi déterminer ses principales composantes. Les concepts de bassin versanthydrologique et hydrogéologique ont ainsi vu le jour. Sur ces bassins, des méthodespermettant la détermination des différents éléments du bilan ont été développées. Lamodélisation qui consiste en une représentation sous différentes formes (prototype,analogique et mathématique) des composantes du cycle de l’eau constitue l’une des dernièresapproches actuellement utilisées.

Deux approches cohabitent dans la modélisation hydrologique, l’approche déterministe etl’approche stochastique. La première, contrairement à la deuxième, n’inclut pas le caractèrealéatoire inhérent à la plupart des composantes du cycle de l’eau. Les modèles sont aussidistingués par leur façon d’appréhender l’espace, c’est ainsi que dans les modèlesdéterministes il y a des modèles globaux et distribués.

Le bassin du Merguellil ayant connu plusieurs changements de ses états de surface nous avonsessayé de montrer quelle approche serait adaptée pour leur prise en compte. C’est ainsi quel’approche conceptuelle, dans laquelle les différents changements seront pris en compte àtravers les paramètres du modèle, a été choisie. Le modèle MODCOU a été choisi suivantcette considération et en partant du fait qu’il simule les écoulements superficiel et souterrains.La ressemblance de son module souterrain avec les modélisations déjà entreprisesantérieurement sur deux nappes du bassin du Merguellil a été aussi déterminante dans le choixde ce modèle. MODCOU étant un modèle déterministe, nous allons introduire le caractèrealéatoire dans ses sorties, par une génération aléatoire des valeurs de ses paramètres deproduction.

2. Contexte physique de la zone d’étude

La connaissance du milieu physique ainsi que des activités socio-économiques despopulations qui l’habitent est indispensable dans l’étude des composantes du cycle de l’eau.Elle constitue l’un des principaux éléments pouvant aider à cerner les processus quicontribuent à la génération des débits des rivières ainsi qu’à l’alimentation des nappes.

Le milieu physique est représenté par le relief, l’occupation naturelle de la zone d’étude, etl’occupation due à l’action anthropique sur le milieu. L’occupation naturelle consisteessentiellement en la végétation naturelle qui est intimement liée à la nature pédologique desterres. L’occupation due à l’action anthropique peut se traduire par des cultures et desaménagements des versants et des rivières, l’urbanisation et d’autres actions susceptiblesd’être entreprises par l’homme dans un bassin versant.

L’activité socio-économique consiste en tout ce qui touche directement ou indirectement lesconditions de vie des populations en terme de ressources lucratives ou autres (culturelles, liéesà la santé, touristiques etc.). Le milieu physique et les activités socio-économiques sontintimement liés, puisqu’on ne peut parler de l’économie d’une région sans faire intervenir lemilieu physique.

Dans ce chapitre nous commencerons par présenter la localisation de la zone d’étude et sonrelief. Ensuite nous verrons les ressources en sols, les occupations des terres et lesaménagements de Conservation des Eaux et des Sols (CES) qui ont été entrepris dans lebassin du Merguellil depuis plus de trois décennies. Nous terminerons par un aperçu sur lecadre administratif et socio-économique de la zone d’étude.

2-1- Situation de la zone d’étude

Le bassin versant de l’oued Merguellil est situé en Tunisie centrale. Il draine comme lesautres principaux bassins de la région (Zeroud et Nebhana), les flancs sud de la dorsaletunisienne et a pour exutoire la plaine de Kairouan.

Cette dernière a été, dans le passé, l’objet de plusieurs inondations répétées dont la dernière endate est celle de 1969 (Lafforgue et Duval, 1970). Une politique d’implantation des grandsbarrages, sur ces trois oueds a été ainsi mise en place pour lutter contre ces inondations. C’estainsi que le barrage de Sidi Saâd sur l’oued Zeroud et celui d’El Haouareb sur l’ouedMerguellil ont été construits à l’entrée de la plaine et mis en eau respectivement en 1981 et1989. Un autre barrage avait déjà été mis en place sur l’oued Nebhana depuis l’année 1965(SOGETHA, 1964).

Le bassin versant de l’oued Merguellil a une superficie de 1540 km2 (DCES, 1986). La zoneconcernée par cette étude comprend la partie du bassin limitée au barrage d’El Haouareb

Chapitre II : Contexte physique de la zone d étude


d’une superficie d’environ 1200 km2 (Kingumbi, 1997), une partie de la nappe d’Aïn Baïdhadrainée vers l’oued Zeroud (environ 75 km2), et une partie de la nappe de Cherichira (environ50 km2) dont les écoulements superficiels sont drainés par l’oued Cherichira qui rejoint leMerguellil après le barrage d’El Haouareb c’est à dire dans la plaine de Kairouan (Figure 2.1).

Figure 2.1 Localisation géographique de la zone d’étude

La zone d’étude ainsi définie (1325 km2) est limitée au Nord par les retombées sud desdjebels Belloutta et Serdj, au Sud par le plateau d’El Ala et l’oued Zeroud, à l’Ouest par lehaut plateau de Kesra et le djebel Barbrou, et à l’Est par les djebels Ouesslat, Cherichira, AïnGhorab, El Haouareb, Hallouf et Touila qui constituent les derniers dômes avant la plaine deKairouan. Géographiquement cette zone est située entre 9 et 10° de Longitude Est, et 35 et36° de Latitude Nord (OTC, 1993).

2-2- Topographie du bassin du Merguellil

La topographie du bassin du Merguellil a été décrite à partir des courbes de niveau issues descartes d’Etat Major au 1/50000 (IGNF, 1957) et dont l’équidistance est de 10 mètres. Unepartie de ces courbes est issue des études antérieurement faites sur le bassin du Merguellil(Monat, 2000 ; Kingumbi, 1997). En effet, Monat (2000) avait mis au point un ModèleNumérique de Terrain (MNT) du bassin du Merguellil sous le Système d’InformationGéographique (SIG) ARC VIEW à partir des données saisies par Kingumbi (1997) sousDEMIURGE (Depraetere, 1995a et b).



Cette base de données, héritée des études antérieures, a été complétée par des courbes deniveau des zones des nappes d’Aïn Baïdha et de Cherichira qui se drainent en dehors dubassin versant superficiel de l’oued Merguellil limité au barrage d’El Haouareb (Figure 2.1).Ceci nous a permis de recalculer un MNT qui couvre l’ensemble de la zone d’étude (Figure2.2). Ce dernier a été calculé sur une grille de pixels de 100 m de coté. Il a été validé parcomparaison à celui établi par Monat (2000). Nous aboutissons aux mêmes valeurs sur lesmailles du bassin topographique dont les altitudes sont comprises entre 200 et 1200 m. Lesparties rajoutées (dans les zones d’Aïn Baïdha et de Cherichira) montrent un drainage horsMerguellil et présentent des altitudes qui varient entre 200 et 500 m.

La morphologie de ce bassin est constituée essentiellement des djebels et des plateaux, dontles principaux sont répertoriés ci-après :

- Le djebel Ouesslat est situé sur la limite Nord-Est du bassin. La ligne de partage deseaux entre le bassin du Merguellil et celui de Nebhana passe par ce djebel dont le pointculminant est à 900 m d’altitude.

Figure 2.2 Carte des altitudes du bassin du Merguellil

- Le djebel Barbrou, par lequel passe la ligne de partage des eaux entre le Merguellil et



le Zeroud, est situé sur la limite Nord-Ouest du bassin. Son sommet, situé à 1226 md’altitude, constitue le point culminant du bassin versant du Merguellil.

- Le djebel Trozza est situé dans la zone Sud-Est du bassin et est entièrement drainé dansle bassin versant du Merguellil. Il culmine à 998 m d’altitude.

- Le haut plateau de Kesra est situé sur la limite Ouest du bassin. Il est à une altituded’environ 950 m et constitue l’amont du bassin où le cours d’eau principal prendnaissance.

- Le plateau d’Ouslatia est situé sur la limite Nord du Bassin, à l’ouest du djebelOuesslat. Il se trouve à une altitude d’environ 500 m avec un terrain très plat qui renddifficile la délimitation précise de la ligne de partage des eaux dans cette zone.

- Le plateau d’El Ala est situé dans le centre Sud du bassin sur la limite entre le bassindu Merguellil et celui du Zeroud. Son altitude est d’environ 500 m.

Le bassin versant du Merguellil limité au barrage d’El Haouareb a une hypsométrie compriseentre 1226 et 200 m d’altitude. Les caractéristiques morphologiques de ce bassin (Tableau2.1) ont été étudiées par plusieurs auteurs (Kallel et al., 1975 ; Bouzaiane et Lafforgue, 1986 ;Kingumbi, 1996 ; Kingumbi, 1997). Elles montrent que le bassin versant de l’oued Merguellilest un bassin assez homogène avec une forme plus ou moins allongée. A l’exception du bassindu Zebbes qui draine le plateau d’El Ala, les autres sous-bassins du Merguellil présentent unrelief relativement fort (Tableau 2.1).

Tableau 2.1 Caractéristiques morphologiques des sous-bassins du Merguellil (Kingumbi,1997)Bassin S

(Km²)P

(Km) IC L(Km)

l(Km)

Hmin(m)

H95%(m)

Hmed(m)

H5%(m)

Hmax(m)

D(m)

Ig(m/Km)

DS(m)

Zebbes 181 67 1.40 26.7 6.8 350 423 521 653 739 230 8.6 116

Skhira 193 54 1.10 14.3 13.5 590 652 814 1040 1226 388 27.1 376

Haffouz 663 117 1.28 43.1 15.4 260 330 595 912 1226 582 13.5 348

Sidi Boujdaria 897 127 1.20 42.3 21.2 232 314 550 894 1226 580 13.7 410

El Haouareb 1192 162 1.32 61.7 19.3 192 250 504 867 1226 617 10.0 345

Avec S la superficie, P le périmètre, IC l’indice de compacité, L la longueur du rectangleéquivalent, l la largeur du rectangle équivalent, Hmin l’altitude minimale, H95% l’altitude audessus de laquelle il y a 95% de la superficie du bassin, Hmed l’altitude médiane, H5% l’altitudeau dessus de laquelle il y a 5% de la superficie du bassin, Hmax l’altitude maximale, D ladénivelée, Ig l’indice des pentes global, et DS la dénivelée spécifique.

Les différentes courbes hypsométriques des sous-bassins du Merguellil ont été tracées (Figure2.3). Elles traduisent, avec les pentes régulières, un relief assez ancien travaillé par l’érosion.On constate aussi que l’influence des reliefs amont est très faible, puisqu’ils s’étendent surdes superficies limitées.



La comparaison de l’hypsométrie des sous-bassins de Skhira et Zebbes de superficieéquivalente, montre une plus forte dénivelée pour le premier situé à l’amont du Merguellil.Tandis que pour le second, situé au milieu du bassin, les altitudes varient sur moins de 400 md’intervalle. Ceci traduit le caractère montagneux du Merguellil plus marqué à l’amont qu’aucentre et à l’aval du bassin (Figure 2.3).

Figure 2.3 Courbes hypsométriques des sous-bassins du Merguellil (Kingumbi, 1997)

Figure 2.4 Répartition des pentes en fonction des surfaces des sous-bassins du Merguellil

Les pentes du bassin versant du Merguellil ont été aussi calculées : elles varient entre lesvaleurs 0 et 42° (Kingumbi, 1997). Les grandes pentes sont constatées sur les formations



montagneuses du bassin, qui sont les djebels Trozza, Ouesslat, Barbrou, Touila et le hautplateau de Kesra. Les faibles pentes sont constatées dans la zone d’Aïn Baïdha juste en facedu barrage d’El Haouareb, sur les plateaux d’El Ala et d’Ouslatia, et à l’amont du bassin surune partie du haut plateau de Kesra.

Les courbes de répartition des pentes en fonction de superficies couvertes au niveau desdifférents sous-bassins du Merguellil sont données sur la Figure 2.4. Cette figure montre qu’ily a prédominance de pentes faibles sur le bassin de Merguellil. En effet plus de 75% du bassinont une pente inférieure à 5°. Ceci confirme le constat issu de l’hypsométrie qui montrel’importance relativement faible des formations montagneuses amont dans le relief del’ensemble du bassin versant du Merguellil.

La comparaison des pentes des bassins de Zebbes et Skhira de superficie équivalente montreque le premier a des valeurs moyennes et extrêmes de loin plus faibles que le second. Ceciconfirme que l’amont est plus accidenté que la partie centrale et aval du bassin.

2-3- Pédologie de la zone d’étude

Une carte pédologique du bassin du Merguellil, qui montre l’existence de quatre principalesentités pédologiques, a été élaborée à partir des travaux de Barbery et Mohdi (1987) et deMizouri et al. (1990). Ces entités sont constituées de sols peu évolués, sols calcimagnésiques,sols isohumiques et sols d’associations (Tableau 2.2).

Les sols peu évolués sont en général de deux origines principales : érosive et d’apports(Barbery et Mohdi, 1987). Il en existe de différents types sur le bassin du Merguellil : les solsargileux avec une forte pierrosité en surface, les sols squelettiques sur roches calcaires dures,les sols minéraux bruts sur affleurements calcaires et gréso-calacaires, les sols d’apports detexture fine affectés par l’halomorphie, etc. La Figure 2.5 montre que ces sols sont localisésprincipalement dans la partie centrale du bassin (délégation d’El Ala) ainsi que dans la partieaval (délégation d’Aïn Baïdha). Avec une superficie d’environ 490 km2, les sols peu évoluésconstituent la plus grande couverture pédologique du bassin du Merguellil.

Les sols calcimagnésiques sont principalement de type rendzines et bruns calcaires.Généralement peu profonds, ces sols sont constitués de croûtes calcaires, d’éboulis, decolluvions et de sables (Barbery et Mohdi, 1987). Ces sols n’occupent qu’une superficierelativement faible d’environ 138 km2 et se retrouvent dans la partie extrême amont du bassin,après la forêt de la Kesra, ainsi que dans la partie centrale du bassin versant du Merguellil(Figure 2.5).

Les sols isohumiques, constitués principalement de matériaux sableux, sont de types brunssub-arides (Barbery et Mohdi, 1987). Ce sont des sols d’érosion et d’apports plus ou moins



récents. Ils sont situés principalement dans la partie centrale et aval du bassin du Merguellil etcouvrent une superficie d’environ 92 km2 (Figure 2.5).

Tableau 2.2 Classification des différentes entités pédologiques du bassin du Merguellil(Barbery et Mohdi, 1987 ; Mizouri et al., 1990)

Classe Groupe Sous groupe Famille N°MB D'apport alluvial Sables 1

Affleurements Sols peu évolués calcimagnésiques Calcaires - grès 2

Affleurements Sols peu évolués modaux Grès - sables 3

Sols peu évolués modaux Affleurements Grès - marnes 5Sols peu évoluéscalcimagnésiques Affleurements ou forte érosion Marnes - calcaires - grès 6

Sols peu évoluéscalcimagnésiques Régosols tronqués Marnes-argiles 7

Calcimagnésiques Affleurements Marnes - calcaires - grès 8

Calcimagnésiques Affleurements de croûtes Grès - marnes 9

Associations

Sols peu évoluésisohumiques Affleurements de croûtes Sables - croûtes 10

D'érosion Modaux ou tronqués Marnes - colluvions 11

D'érosion Modaux Grès - matériaux sableux 12

D'érosion Vertiques Marnes - argiles 14

D'apport Modaux Colluvions - alluvions 15

D'apport Calcimagnésiques Colluvions 20

D'apport Steppiques parfois tronqués Matériaux sableux 21

D'apport Steppiques + érosion éolienne Matériaux sableux 22

D'apport Steppiques à encroûtements Matériaux sableux 23

D'apport Steppiques peu épais Sables - argiles 24

Sols peu évolués

D'apport Faibles hydromorphes ou vertiques Colluvions - alluvions 27

Rendzines Encroûtements - croûtes Croûtes - calcaires 31

Bruns calcaires Peu profond Eboulis 33

Bruns calcaires Encroûtements profonds Matériaux calcaires - colluvions 35Calcimagnésiques

Bruns calcaires Encroûtements près de surface Sables 36

Bruns subarides Modaux Matériaux sableux 37

Bruns subarides Encroûtements profonds Matériaux sableux 39Isohumiques

Bruns subarides Encroûtements (80 cm) Matériaux sableux 40

Salés à alcalis > 10 mmhos Dépôts alluviaux 42Halomorphes

Salins > 10 mmhos Dépôts alluviaux 44

Les sols d’associations sont composés par un mélange de sols peu évolués, calcimagnésiqueset isohumiques. Constitués de marnes, de sables et d’encroûtements calcaires, ces sols sont deproductivité médiocre. Ils se retrouvent principalement dans la partie amont du bassinoccupée par la forêt de la Kesra et sur les principaux reliefs du bassin versant du Merguellil :le djebel Ouesslat, le djebel Touila, le djebel Trozza, et le haut plateau de la Kesra. Avec lessols peu évolués, les sols d’associations constituent la quasi-totalité de la couverturepédologique du bassin du Merguellil, avec une superficie de 570 km2 (Figure 2.5).

Les sols halomorphes sont constitués de dépôts alluviaux dont la conductivité électriquedépasse les 10 mmhos. Ils se situent dans les zones les plus basses des oueds Merguellil etZéroud et ne constituent qu’une superficie de 8 km2 de la zone d’étude.



Les matériaux meubles (MB) occupent une superficie de 29 km2. Ils se situent dans les litsdes oueds Merguellil et Zeroud et sont constitués de matériaux récemment charriés qui n’ontpas encore subi de pédogenèse (Figure 2.5).

De plus, Barbery et Mohdi (1987) ont identifié les textures des différents sols se trouvant dansla région d’étude. Celles-ci sont reproduites dans le Tableau 2.3 et nous les avons divisées ensix classes pédologiques en fonction de leur capacité de favoriser l’écoulement au détrimentde l’infiltration :

- La première classe est constituée de deux entités pédologiques : une entité de croûtescalcaires (n° 31), et une entité de calcaires et grès (n° 2). Cette classe couvre unesuperficie de 214 km2 et se localise spatialement sur les principaux reliefs du bassin : lehaut plateau de la Kesra, le djebel Trozza et le djebel Ouslatia.

Figure 2.5 Répartition spatiale des entités pédologiques du bassin du Merguellil (Barbery etMohdi, 1987 ; Mizouri et al., 1990) et recomposées d’après le Tableau 2.3.

- La deuxième classe est constituée de quatre entités : deux entités de marnes et argiles (n°7 et n° 14) et deux entités de marnes, calcaires et grès (n° 6 et n° 8). Cette classe



représente une étendue de 237 km2, située principalement dans la partie amont du bassin(forêt de la Kesra et sous bassin de l’oued Morra), et à l’aval du bassin le long de l’ouedZeroud.

- La troisième classe regroupe trois entités : deux entités de grès et marnes (n° 5 et n° 9), etune entité de marnes et colluvions (n° 11). Elle occupe une superficie de 256 km2 sur lebassin du Merguellil. Cette classe est surtout prépondérante dans la partie centrale de cebassin.

Tableau 2.3 Classification en unités homogènes des différentes entités pédologiques dubassin du MerguellilEntités pédologiques N° d entités N° de classe Superficie (km2)Croûtes calcaires 31

Calcaires grès 21 214

Marnes argiles 7, 14

Marnes calcaires grès 6, 82 236

Grès marnes 5, 9

Marnes colluvions 113 256

Sables argiles 24

Matériaux calcaires colluvions 35

Colluvions alluvions 15, 27

Colluvions 20

Dépôts alluviaux 42, 44

Eboulis 33

4 95

Sables croûtes 10

Grès sables 3, 125 121

Matériaux sableux 21, 22, 23, 37, 39, 40

Sables 1, 366 403

- La quatrième classe est composée de six entités : une entité de sables et argiles (n° 24),une entité de matériaux calcaires et de colluvions (n° 35), une entité de colluvions (n°20), deux entités de colluvions et alluvions (n° 15 et n° 27), deux entités de dépôtsalluviaux (n° 42 et n° 44), et une entité d’éboulis (n° 33). Elle s’étend sur une superficied’environ 95 km2 localisée essentiellement dans le centre du bassin.

- La cinquième classe se compose de trois entités : une entité de sables et croûte calcaire(n° 10) et deux entités de grès et sables (n° 3 et n° 12). Elle occupe une superficie de 121km2 dans le bassin du Merguellil. Les unités pédologiques de cette classe sont éparpilléesentre le centre et le sud du bassin.

- La sixième classe est composée de 8 entités : six entités de matériaux sableux (n° 21, n°22, n° 23, n° 37, n° 39 et n° 40), et deux entités de sables (n° 1 et n° 36). Cette classepédologique, prépondérant dans la partie centrale (El Ala) et aval (Aïn Baïdha), est deloin la plus représentée sur le bassin versant du Merguellil avec une superficie de 403km2.



2-4- Occupation spatiale de la zone d’étude

La couverture spatiale joue un rôle primordial dans les processus de génération duruissellement sur les versants et d’infiltration de la pluie vers la zone non saturée. En effet, unmême type de sol peut avoir des comportements différents par rapport à ces processus, selonl’occupation de la surface.

Une carte d’occupation des sols (Figure 2.6) a été élaborée à partir de plusieurs travauxantérieurs (Barbery et Mohdi, 1983 ; DCES, 1996 ; Kingumbi, 1997 ; Dridi, 2000). On peutrecenser cinq principales occupations des terres dans le bassin du Merguellil : les forêts, lescultures, les pâturages, les zones bâties et les zones occupées par les eaux.

Figure 2.6 Répartition spatiale des différentes occupations des sols du bassin du Merguellil

Les cultures occupent, avec 730 km2, la plus grande superficie de ce bassin. On distinguel’arboriculture et les cultures annuelles composées principalement par la céréaliculture. Lescultures annuelles sont disséminées sur l’ensemble du bassin et occupent 59% de la superficieallouée aux cultures (430 km2). L’arboriculture occupe le reste (300 km2) et se retrouve



principalement aux alentours des centres urbains d’El Ala et de Haffouz, ainsi que dans lalocalité d’Aïn Baïdha.

Les parcours constituent, avec 350 km2, la deuxième occupation des terres du bassin duMerguellil. Elles se situent en prédominance dans la partie Nord Centre du bassin, dans lazone de Cherichira, ainsi que dans les environs des djebels Trozza et Touila.

Les forêts occupent 220 km2. Elles se situent dans la partie Nord-Ouest du bassin sur leplateau de Kesra, ainsi que dans la partie Nord-Est du bassin sur les flancs du djebel Ouesslat.La forêt est claire et plus ou moins dégradée par l’action anthropique se manifestantprincipalement par le déboisement. Elle se compose, du haut en bas, par le Pin d’Alep, leGenévrier de Phénicie, le Romarin et l’Alfa dispersés (Dridi, 20000).

Les zones bâties sont composées de petits centres urbains rencontrés dans le bassin. Il s’agitprincipalement de Haffouz, El Ala et Kesra. Quant aux zones occupées par les eaux, ellessont constituées par les lits des principaux oueds ainsi que par les barrages de Sidi Saâd surl’oued Zeroud et d’El Haouareb sur l’oued Merguellil. Les zones occupées par les eaux et lesbâtiments constituent une portion très faible (20 km2 ≅ 1%) de la superficie du bassin duMerguellil.

2-5- Implantation des aménagements de Conservation des Eaux etdes Sols (CES) dans la zone d’étude

2-5-1- L érosion dans le bassin du Merguellil

L’érosion est définie comme étant un processus de décapage des couches superficielles dusol, leur transport et leur dépôt. Le décapage peut se faire par plusieurs phénomènesclassifiés en deux principales catégories : les phénomènes physiques et les phénomèneschimiques. Le transport se fait par deux principaux agents : l’eau et le vent. Alors que ledépôt se fait dans les dépressions qui peuvent être continentales tels que les barrages et lacscollinaires ou océaniques. Selon la façon dont elle se manifeste et les endroits qu’elle touche,l’érosion peut être classifiée en quatre principales formes (Snoussi, 1993) :

- Le décapage de la couche superficielle du sol (arable et riche en matières organiques)par un écoulement sur les versants d’une fine pellicule d’eau, c’est l’érosion en nappe.

- L’évolution du ruissellement des versants en ruissellement concentré passe par lesstades de griffes, de ravines et de ravins. Le creusement de ravins dissèque le versant etengendre une érosion par remontée appelée « tête de ravin ».

- L’affouillement de la base des berges des cours d’eau qui s’écroulent surtout enpériodes de crues : c’est l’érosion par sapement des berges.



- Le glissement des masses de terre des versants constitués de roches meubles oud’alternance de roches meubles et résistantes. L’infiltration de l’eau dans ces rochesprovoque leur glissement dans le sens de la pente par l’augmentation de leur poids.

Dans le bassin versant du Merguellil toutes ces formes d’érosion sont présentes. Mais lesformes les plus remarquées sont les ravines sur les versants et les sapements des berges quiont abouti à un fort élargissement des oueds surtout à l’aval du bassin.

Quelques auteurs ont essayé de quantifier l’érosion spécifique par la mesure des éléments ensuspension et charriés par les crues du Merguellil aux différentes stations hydrométriques.Elle a été ainsi estimée à 12,2 et 16,4 tonnes/ha/an par Bouzaiane et Lafforgue (1986)respectivement aux stations de Haffouz (1966-1982) et Sidi Boujdaria (1974-1982). Leplateau d’El Ala constitue la partie la plus érodée du bassin puisqu’il contribue à uneaugmentation de l’érosion spécifique du bassin qui passe de 12 à 16 tonnes/ha/an entre lesstations de Haffouz et Sidi Boujdaria. Garetta et Our Ghemi (1999) ont estimé à 15,7tonnes/ha/an (sur la période 1989-1998) l’érosion spécifique au barrage d’El Haouareb parbathymétrie. Tchatagba (1998) et Raspic (2000) ont quantifié l’érosion spécifique de cebassin par l’équation universelle de perte en terres (Wischmeir et Smith, 1965 ; 1978) et sontarrivés aux estimations qui permettent de retrouver les observations.

Les quantités transportées par l’érosion dans le bassin du Merguellil sont très importantescomparativement au maximum de transport admissible proposé par Evans (1981) pour lapréservation des ressources en sols (1 tonne/ha/an). Ceci étant, plusieurs travaux deconservation des eaux et des sols (CES) ont été entrepris depuis fort longtemps. Durant lesannées 1960, l’objectif officiel était de réguler le marché de l’emploi dans les zones ditesmarginales. Ensuite dans les années 1970, l’amélioration de la productivité, par l’introductionde nouveaux engins, fût l’objectif visé. Ce n’est que pendant les années 1980 que l’approched’aménagements CES, intégrés dans leur environnement, est apparue. Durant les années 1990l’approche participative, consistant à associer les paysans aux différentes phases deréalisation des travaux CES, a été adoptée (Ben Mansour, 2000).

Différents types d’aménagements CES ont été implantés dans le cadre des différents projetsqui se sont succédés sur le bassin (DCES, 1991). On en distingue deux principaux dont lachronologie d’implantation et l’impact sur le ruissellement ont été étudiés par Dridi (2000) :les aménagements des versants et ceux du réseau hydrographique.

2-5-2- Les aménagements des versants du bassin du Merguellil

Les aménagements des versants entrepris dans le bassin du Merguellil sont constituésprincipalement de plantations pastorales et de fixations biologiques, de cordons et seuils enpierres sèches, ainsi que de banquettes à rétention totale.



2-5-2-1- Plantations pastorales et fixations biologiques

Les fixations biologiques sont utilisées pour stabiliser les berges des oueds les plus érodéstandis que les plantations pastorales se retrouvent sur les versants pour améliorer la qualitédes parcours et lutter contre l’érosion en nappe. Elles occupaient en 1998 8% de la superficiedu bassin (Dridi, 2000).

2-5-2-2- Cordons et seuils en pierres sèches

Les seuils sont des ouvrages en pierres sèches construits dans les têtes des ravines pourempêcher leur progression sur les versants alors que les cordons sont construits sur lesversants en pente plus ou mois forte et en suivant les courbes de niveau. Ils sont souventconstruits sur des sols en parcours dégradés avec une forte piérrosité et servent à ralentir leruissellement et diminuer ainsi le transport solide.

2-5-2-3- Banquettes de rétention totale

Une banquette est une bande de terre dressée suivant les courbes de niveau avec un fossé trèsévasé et un bourrelet de largeur réduite. Elle a pour fonction de stocker l’eau du ruissellementet de favoriser ainsi son infiltration. L’objectif est de contribuer à l’augmentation des réservesen eau du sol et à la protection des barrages et des lacs collinaires situés à l’aval contrel’envasement.

Les banquettes sont implantées sur des sols profonds en pentes faibles et l’espace interbaquettes est mis en cultures. Le plus souvent, les plantations pastorales et fourragères (lecactus et l’acacia) sont utilisées pour stabiliser les banquettes et faciliter ainsi l’infiltration deseaux du ruissellement.

Les banquettes n’ont pas que des avantages. En effet, elles diminuent l’espace cultivable,elles constituent des obstacles à la circulation des engins et du bétail, et exigent un entretienassez régulier.

Tableau 2.4 Chronologie d’évolution des superficies du bassin du Merguellil aménagées enbanquettes

Superficie Cumul des surfaces aménagéesPériode

(km2) (km2) (%)Avant 1970 14.8 14.8 1.2

Entre 1970 et 1980 7.7 22.5 1.9

Entre 1980 et 1990 73.9 96.4 8.0

Entre 1990 et 1998 98.6 195.0 16.3

On ne dispose pas de chronologie précise d’implantation des différents ouvrages, mais à partirdes archives de la CES, des images satellitaires et des photographies aériennes, Dridi (2000) apu dresser une carte d’implantation des banquettes sur le bassin du Merguellil que nousreprenons en Figure 2.7. Elle montre que ces aménagements occupaient une infime partie du



bassin jusqu’au début des années 1980. L’essentiel des banquettes a donc été implanté vers lemilieu des années 1980 et pendant la décennie 1990 (Tableau 2.4).

Figure 2.7 Chronologie d’implantation des banquettes dans le bassin du Merguellil, d’aprèsDridi (2000).

Les aménagements en banquettes sont essentiellement au centre du bassin. Sur une superficietotale de 200 km2 aménagée jusqu’en 1998, 70% se trouve dans les sous bassins de Haffouzet Zebbes, et seulement 2% se trouve dans le sous bassin amont de Skhira. On remarque quel’aval du bassin (zone d’Aïn Baïdha) n’a connu les premiers aménagements en banquettes quependant les années 1990.

2-5-3- Les aménagements des cours d eau du bassin du Merguellil

Dans le bassin du Merguellil, les aménagements du réseau hydrographique se composentd’ouvrages pour barrer les cours d’eau (lacs et barrages collinaires) et d’ouvrages, le plussouvent en maçonnerie, pour stabiliser les berges et les profils en long.



2-5-3-1- Ouvrages de stabilisation des berges et des profils en long

On distingue deux types d’ouvrages : les ouvrages longitudinaux et transversaux. Lesouvrages longitudinaux aux lits des oueds sont préconisés pour la correction des méandres àconcavités accentuées et ont comme objectif la lutte contre l’affouillement et le sapement desberges des oueds.

Les ouvrages transversaux sont construits en maçonnerie ou en pierres sèches. Leur objectifest la stabilisation des profils en long, l’alimentation des nappes, le piégeage des sédiments, etla stabilisation de la pente des oueds. On rencontre ces ouvrages surtout dans la partie aval dubassin du Merguellil.

2-5-3-2- Lacs et barrages collinaires

Les lacs et les barrages collinaires sont constitués par des digues en terre compactée dont lacapacité de la retenue est en moyenne de l’ordre respectivement de 0.1 et 1 million de m3. Ilsrépondent à quatre objectifs : l’amélioration et le développement de la productivité agricolelocale, la lutte contre l’envasement des grands barrages, la maîtrise des eaux de surface etl’alimentation des nappes souterraines.

Figure 2.8 Localisation des lacs et barrages collinaires dans le bassin du Merguellil.



L’évaluation à notre disposition (issue de Dridi (2000) et complétée par les informationsrecueillies à la Direction Générale de l’Aménagement et de la Conservation des TerresAgricoles (DG/ACTA)) fait état de 44 lacs et barrages collinaires (Figure 2.8, Tableau 2.5).Plus de la moitié de ces lacs (24) ont une vocation purement agricole, 9 lacs servent à laprotection des barrages contre l’envasement, 2 pour l’alimentation des nappes, et 9 pour lesusages diversifiés (Tableau 2.5).

La majorité de ces retenues a été implantée dans la partie amont du bassin versant duMerguellil dans les sous bassins de Skhira et Haffouz. La partie aval en est dépourvue ainsique le sous bassin de Zebbes (Figure 2.8).

Les sous bassins concernés par ces lacs et barrages collinaires, depuis les années soixantejusqu’à actuellement, forment une superficie d’environ 170 km2 correspondant à environ15% de la surface du bassin versant du Merguellil.

La chronologie montre que la décennie 1990 a été de loin la plus riche en implantation deslacs et barrages collinaires. Elle montre aussi que les années 1970 et 1980 ont étécaractérisées par une quasi-absence d’implantations de ces ouvrages (Figure 2.9). En effet surces 20 années on assiste à une construction de 6 ouvrages seulement.

Figure 2.9 Chronologie d’implantation des lacs et barrages collinaires dans le bassin duMerguellil : (a) nombre et (b) surface drainée par ces retenues d’eau.

Une dizaine de retenues ont été aménagées dans le cadre d’un projet de coopérationaméricaine datant de la fin des années 1960 (Tableau 2.5, Figure 2.9), ils ont été totalement oupartiellement envasés après les événement pluviométriques exceptionnels de l’automne 1969.Les retenues construites après l’année 1969 disposent encore d’une grande part de leurs



capacités de stockage qui varient de 20 à 90% de leurs capacités initiales (Dridi, 2000).

Tableau 2.5 Quelques caractéristiques des lacs et barrages collinaires implantés dans lebassin du Merguellil NOM Délégation Retenue (m3) Surface (ha) Usages Date de construction

El Marrouki Haffouz 56000 63 agriculture 1973

Dahbi Haffouz 26000 564 divers usages 1980

Salem Thabet Haffouz 63000 205 agriculture 1973

Abda Haffouz 37000 287 divers usages 1970

El Hoshas Haffouz 130000 1050 recharge nappe 1989

Ben Houria Haffouz 17000 208 divers usages 1970

Ain Faouar Haffouz 66000 290 agriculture 1994

Fidh M'bark Haffouz 53000 95 agriculture 1992

Maiz Haffouz 500000 1300 agriculture 1986

Fidh Ali Haffouz 127000 412 agriculture 1991

Fidh Ben Nasser Haffouz 100000 169 agriculture 1990

Bouksab Haffouz 55000 320 agriculture 1985

El Ghatatis Oussletia 106000 212 agriculture 1995

El Gatar Oussletia 150000 450 agriculture 1992

El Mahbes Oussletia 180000 820 agriculture 1993

Ain Smili Oussletia 130000 720 agriculture 1994

El Garia1 Kesra 25000 114 divers usages 1968

El Garia2 Kesra 19000 64 divers usages 1968

Wad Hafar Kesra 30000 130 agriculture 1993

Fedden Bou Ras Kesra 94000 391 agriculture 1992

Ain Saadoon Kesra 18000 172 divers usages -

El Morra El Ala 650000 1250 agriculture 1992

Absa1 El Ala 50000 450 agriculture 1992

Absa2 El Ala 35000 82 divers usages 1992

Fidh Ezzitoun El Ala 40000 100 divers usages -

Bouchiha1 Kesra 18000 20 agriculture 1990

Bouchiha2 Kesra 34000 34 recharge nappe 1990

Wad Daoud Makthar 95000 307 protection barrages 1994

Fidh Serwi S4 Makthar 181000 474 protection barrages 1967

El Hinchir S3 Makthar 38000 211 protection barrages 1967

Ouled Mrabet S2 Makthar 79000 157 protection barrages 1967

El Mkebrta S18 Makthar 160000 183 protection barrages 1967

El Hfaya S12 Makthar 60000 148 protection barrages 1967

Bou Haasine S1 Makthar 52000 150 protection barrages 1967

Fidh Smara S5 Makthar 120000 266 protection barrages 1968

Fidha Grawa S20 Makthar 72000 309 protection barrages 1968

Sidi Sofiane Haffouz 40000 101 divers usages 1994

Ben Zitoun Haffouz 50000 250 agriculture 1993

Chaabit Hamra El Ala 120000 400 agriculture 1996

NMAL Oussletia 1000000 1550 agriculture 1996

Kharroub Oussletia 1270000 1930 agriculture 1995

El Gassaa Oussletia 104000 480 agriculture 1996

Ain Smili2 Oussletia 35000 164 agriculture 1996



Le taux d’exploitation des lacs collinaires par les paysans riverains est très faible. En effet, àla fin des années 1990, 50% d’exploitants n’avaient pas encore introduit l’irrigation dans leurpratiques culturales, 28% commencaient à intégrer le facteur eau, et seulement 22% despaysans pratiquaient la petite irrigation (Albergel et al., 2001b). Ce qui induit que l’essentieldu volume d’eau de ces ouvrages se perdait par l’évapotranspiration qui est très élevée dansce contexte climatique.

2-6- Aperçu du cadre administratif et socio-économique de la zoned’étude

Le bassin du Merguellil couvre administrativement deux gouvernorats : Kairouan (80% de lasuperficie) et Siliana (près de 20%) (Figure 2.1). Quatre délégations du gouvernorat deKairouan (El Ala, Haffouz, Hajeb El Ayoun et Oueslatia) et une seule délégation dugouvernorat de Siliana (Kesra) ont des secteurs administratifs dans le Merguellil.

Ce bassin est à caractère rural. En effet, sur 100 personnes qui l’habitent seules environ 15sont urbaines. L’agriculture, qui constitue la principale activité économique de la région, aconnu plusieurs mutations. Au début du 20ème siècle le paysan de la région étaitessentiellement pasteur semi-nomade. Pendant les périodes sèches, il transhumait vers le Nordplus humide, à la recherche de pâturages. Ce n’est que vers le milieu du 20ème siècle, avec ledéveloppement de la mécanisation, que le paysan est devenu cultivateur-éleveur sédentaire.Actuellement, le modèle d’exploitation le plus répandu dans la région est basé surl’association de l’arboriculture, la céréaliculture et l’élevage (Bonvallot et al., 1981 ;Bonvallot, 1986 ; Hamza, 1988). Cependant, au fil du temps, les vastes parcours d’antan ontlaissé place à des exploitations de plus en plus petites (EGS, 1995) suite à la dislocation deshéritages et à l’accroissement de la population. L’effectif du cheptel par tête d’habitant estaussi devenu de plus en plus important, ce qui menace l’équilibre du milieu naturel.

Tableau 2.6 Indications sur l’évolution de la population de la région d’étude (DGAT, 1992 ;DGAT, 1995)

PopulationAnnée Région Délégation

Densité (ha/km2) Rurale (%) Dispersée (%)

Taux decroissance

annuelEl Ala - - - -

KairouanHaffouz - - - -1975

Siliana Kesra 41 - 70 -

El Ala 87 92 - -Kairouan

Haffouz 59 88 - -1984Siliana Kesra 48 - 60 -

El Ala 97 92 - 1.3 %Kairouan

Haffouz 71 82 - 2.0 %1994Siliana Kesra 52 - 40 1.0 %

L’agriculture étant la principale activité, la répartition de la population dans le bassin est liée àcelle des ressources en eaux. En effet, les points d’eau de surface (oueds et lacs collinaires) et



souterraine (nappes phréatiques) font partie des éléments favorisant la sédentarisation despopulations en Tunisie centrale.

La densité de la population varie actuellement entre 50 et 100 habitants par km2 dans lesprincipales délégations reparties sur le bassin versant du Merguellil (Tableau 2.6). Elledépend de la présence des ressources en eau. A titre d’exemple le secteur Est de la délégationd’El Ala a une densité plus de deux fois supérieure à celle de la zone Ouest (150 contre 60ha/km2). Le taux moyen annuel d’accroissement de la population est d’environ 1.5% sur larégion, il est trois fois plus important dans les milieux urbains que dans les zones rurales.L’augmentation des populations urbaines s’accompagne d’une diminution progressive del’habitat dispersé qui constituait jusqu’au milieu des années 1980 plus de la moitié de lapopulation de la zone d’étude (Tableau 2.6).

La population de la zone est jeune, en effet plus de la moitié de la population a un âgeinférieur à 20 ans (Figure 2.10). Son pouvoir d’achat est globalement faible, avec un revenumoyen par habitant inférieur à 200 Dinars par mois, issu essentiellement de l’agriculture(Dridi, 2000).

Figure 2.10 Pyramide des ages de la population du gouvernorat de Kairouan de l’année 1989(DGAT, 1995).

Le chômage touche près de 80% de la population active, dont une bonne partie (35% dans ladélégation de Haffouz) cherche des emplois saisonniers dans les localités environnantes(DGAT, 1995).

2-7- Conclusion

La zone d’étude est située dans deux gouvernorats de la Tunisie centrale : Kairouan et Siliana.Elle est d’une superficie totale de l’ordre de 1325 Km2. Le bassin versant de l’oued Merguellillimité au barrage d’El Haouareb (1200 km2), qui constitue la grande part de la superficie decette zone, est constitué d’un relief assez fort avec les altitudes qui varient entre 200 et 1200



mètres.

Les cultures, les forêts et les parcours constituent l’essentiel de l’occupation des terres de cebassin. On y distingue aussi quatre principaux types de sols : les sols peu évolués, les solscalcimagnésiques, les sols d’associations et les sols isohumiques. Les sols halomorphesoccupent des étendues très réduites et sont rencontrés seulement dans les dépressions aval dela zone d’étude.

La région étant à vocation essentiellement agricole, les pratiques culturales non adaptées et lesurpâturage, associés à une forte agressivité des pluies ont été à l’origine d’une érosionintensive. De ce fait, plusieurs travaux de conservation des eaux et des sols, pour lutter contrel’érosion d’une part et pour améliorer la qualité de vie des paysans d’autre part, ont étéentrepris. Les principaux travaux sont les banquettes, et les retenues collinaires. Jusqu’en1998 une superficie de l’ordre de 200 km2 a été aménagée en banquettes et une quarantaine delacs et barrages collinaires (dont les sous-bassins couvrent une superficie d’environ 170 km2)ont été mis en place dans le bassin du Merguellil. L’eau des lacs collinaires n’a pas encore étéapprivoisée par les paysans, puisque seulement 22% d’exploitants pratiquent la microirrigation.

La population de la région est globalement jeune avec un faible pouvoir d’achat. Elle estrurale à plus de 80% et seuls quelques petits centres urbains tels que Haffouz, El Ala et Kesrafont exception à une ruralité très prononcée.

3. Données hydrométéorologiques

La collecte et la vérification des données hydrométéorologiques constituent les étapesobligatoires avant d’entamer toute modélisation hydrologique. Ces données se classifient endeux catégories : celles utilisées en entrée des modèles et celles utilisées pour la comparaisondes sorties du modèle avec les mesures. Parmi les données hydrométéorologiques pouvantservir en entrée des modèles on peut citer principalement : la pluviométrie etl’évapotranspiration potentielle, la température, etc. Les débits ou les niveaux d’eau dans lesrivières peuvent être utilisés pour l’évaluation des performances du modèle en effectuant lacomparaison entre les sorties du modèle et les mesures aux différentes stations.

Ce chapitre commencera par une brève description du cadre climatique de la zone d’étudedans laquelle les températures et l’évapotranspiration seront notamment présentées. Ils’ensuivra la présentation et la vérification des données pluviométriques utilisées dans cetteétude. Et en définitive, les données hydrométriques mesurées sur les différentes stations dubassin versant du Merguellil seront validées et présentées.

3-1- Aperçu du cadre climatique de la zone d’étude

Le bassin versant de l’oued Merguellil, de par sa localisation, est au centre de deux régionsclimatiques très différentes : le Nord du pays caractérisé par un climat sub-humide et le Suddont le climat est aride. Le bassin du Merguellil est ainsi situé dans une classe climatiqueintermédiaire : le semi-aride. De l’amont (Nord-Ouest) à l’aval (Sud-Est) du bassin versant duMerguellil, le climat varie du semi-aride inférieur à hiver frais au semi-aride supérieur à hivertempéré (DCES, 1986). Les reliefs des djebels Trozza et Ouesslat situés à l’Est du bassin,avec un climat semi-aride inférieur à hiver tempéré, font cependant exception à cetteclassification du fait de leurs altitudes.

3-1-1- Les températures du bassin du Merguellil

Les données issues de trois stations météorologiques synoptiques (Kairouan (1901-1979),Makthar (1901-1979) et Sbiba (1964-1982)) montrent que les températures moyennesmensuelles du bassin du Merguellil varient entre 5 et 30°C (Figure 3.1). La période la pluschaude de l’année correspond aux mois de Juin, Juillet, Août et Septembre avec destempératures moyennes mensuelles qui dépassent les 20°C. Tandis que la période la plusfroide de l’année correspond aux mois de Décembre, Janvier et Février avec des températuresinférieures à 10°C.

La température moyenne mensuelle maximale excède 30°C pendant les mois de l’été (Juin,Juillet et Août), alors qu’elle n’est inférieure à 10°C que pendant le mois de Février. Latempérature moyenne mensuelle minimale est inférieure à 10°C entre Novembre et Avril.

Chapitre III : Données hydrométéorologiques


Pendant le reste de l’année elle est supérieure à ce seuil sans pour autant excéder 20°C. Lestempératures augmentent de l’amont vers l’aval du bassin versant du Merguellil avec ungradient moyen de 0.4°C tous les 100 mètres d’altitude (Kingumbi, 1997).

Figure 3.1 Températures moyennes mensuelles de la zone d’étude (Kingumbi, 1997)

3-1-2- Vitesses et directions des vents

Dans la région d’étude, les vents faibles (vitesses inférieures à 50 km/h) sont plus récurrents,alors que les vents violents sont rares. Les directions prédominantes des vents sont celles duNord, Nord-Ouest, et Nord-Nord-Ouest fréquentes en hiver ; et du Nord-Est et Sud fréquentesen été. Deux vents caractéristiques des périodes froides et chaudes sont à signaler : le Jebbaliet le Sirocco. Le premier est un vent très froid qui souffle en hiver sur la région à partir deshautes terres algériennes tandis que le second est un vent chaud et sec d’origine saharienne,souvent accompagné de sable, qui peut se manifester à partir du mois d’Avril jusqu’enSeptembre (Bouzaiane et Lafforgue, 1986).

3-1-3- Humidité de l’air

L’humidité relative moyenne mensuelle mesurée à la station de Kairouan (située à l’aval)oscille entre 55% et 70% pendant la période froide (hiver), et entre 40% et 55% pendant lapériode chaude (été) (Bouzaiane et Lafforgue, 1986). L’air passe ainsi d’un état moyennementsec entre Septembre et Avril à un état très sec de Mai à Août.

3-1-4- Evaporation et évapotranspiration

L’évaporation est maximale en été dans les zones les plus basses, elle est minimale en hiverdans les zones d’altitudes aux températures plus fraîches. Le total annuel évaporé au Piche



varie entre 1336 mm enregistrés à Sbiba (1973-1982) et 2071 mm à Kairouan (1964-1982)(Bouzaiane et Lafforgue, 1986). Proportionnellement à la température, l’évapotranspirationpotentielle (ETP) est plus importante pendant les mois de Juin, Juillet et Août où le totalmensuel dépasse les 200 mm. Elle est plus faible durant les mois de Novembre, Décembre,Janvier et Février au cours desquels le total mensuel potentiel évaporé et transpiré est comprisentre 50 et 100 mm (Figure 3.2).

Figure 3.2 Variabilité annuelle de l’Evapotranspiration potentielle (ETP) mensuelle àKairouan (Bouzaiane et Lafforgue, 1986)

Figure 3.3 Evolution annuelle de l’évaporation au bac à la station de Fidh Ben Naceur

Le total annuel évaporé au bac Colorado est en moyenne de 2113 mm à la station de Fidh Ben



Naceur (DCES et IRD, 1993-2001) située au centre du bassin versant du Merguellil (Figure3.3). Les données de cette station ont commencé en 1993 avec le programme de recherchehydrologique sur les lacs collinaires en milieu semi-aride initié par l’IRD et la Direction CESdu Ministère de l’Agriculture.

La figure 3.3 montre, comme on pouvait s’y attendre, que l’évaporation annuelle varie defaçon inversement proportionnelle à la pluviométrie annuelle. En effet, les annéeshydrologiques les plus pluvieuses, telles que 1995-1996 et 1997-1998, ont enregistré desévaporations annuelles moins importantes que les années les moins humides.

3-2- Pluviométrie de la zone d’étude

Les données pluviométriques utilisées ont été récoltées et publiées par la Direction Généraledes Ressources en Eau (DGRE) dans les annuaires hydrologiques. Ces dernières ont étéimplantées, à l’échelle journalière, dans le logiciel Pluviom (Raous et al., 1990) élaboré àl’Institut de Recherche pour le Développement (IRD).

Deux influences (maritime et saharienne) jouent un rôle dans la génération des situationspluvieuses en Tunisie. Saïdi (1977) a recensé cinq typologies de perturbations qui engendrentgénéralement des pluies : les perturbations du Nord-Ouest, les perturbations du Nord, lesperturbations du Nord-Est, les perturbations de l’Ouest et les perturbations sahariennes. Lesquatre premières typologies dépendent de la position des anticyclones de la Sibérie et desAçores, entre lesquels se forment des zones dépressionnaires qui peuvent engendrer desdéplacements d’air entre l’Islande et l’Afrique du Nord. Dans la cinquième typologie, lescourants d’air sahariens, le plus souvent à l’origine des pluies qui touchent tout le pays,s’humidifient en passant d’abord par la mer Méditerranée. Généralement, ce sont surtout lesperturbations du Nord-Est (parallèles à la dorsale tunisienne) et sahariennes qui atteignent lazone d’étude. Les autres sont le plus souvent stoppées par les deux principales chaînesmontagneuses du pays : la dorsale tunisienne (Nord-Est Sud-Ouest) et la chaîne de Kroumirie(Est Ouest). Quelques situations rares peuvent être à l’origine des pluies dans la zoned’étude ; c’est le cas des pluies exceptionnelles de l’automne 1969 dont l’origine est unecombinaison des circulations classiques (dépression sur la péninsule ibérique et masses d’airsahariennes qui se sont humidifiées au large de la côte libyenne et du Golfe de Gabes) etd’une circulation dépressionnaire sur le Golfe de Gascogne inhabituellement à l’origine despluies sur la Tunisie (Bouzaiane et Lafforgue, 1986).

3-2-1- Réseau des mesures pluviométriques et pluviographiques

Vingt trois stations pluviométriques, situées sur le bassin du Merguellil et dans ses environs,ont été sélectionnées pour cette étude (Figure 3.4). Quelques stations proches ont étécombinées pour obtenir un historique plus long. C’est ainsi que la station de Moaz_Ali résulted’une combinaison des stations de Moazil (1980-1991) et de Fidh Ali (1993-2000) ; la station



de Hajar_Naceur provient d’une fusion des stations d’Oued Hajar (1970-1990) et de FidhBen Naceur (1993-2000) ; et la station d’El Haouareb est formée des stations d’El HaouarebBled Sbitha (1970-1990) et d’El Haouareb Barrage (1990-2000).

Figure 3.4 Situation géographique des stations des mesures du bassin du Merguellil

Figure 3.5 Nombre de stations pluviométriques en fonction de la durée d’observationsannuelles sans lacunes



Le critère principal utilisé dans cette fusion est la proximité. En effet, les stations fusionnéesse retrouvent à une distance inférieur ou égale à 2 km. Par contre, à l’exception deHajar_Naceur dont la différence d’altitudes entre les stations initiales n’est que de 25 m, onremarque que les autres stations sont caractérisées par des différences d’altitudes plusimportantes : 70 mètres pour El Haouareb et 300 mètres pour Moaz_Ali. Nous vérifierons,dans la section suivante, l’homogénéité des séries ainsi constituées par rapport des stationsplus longues qui serviront de références locales.

Tableau 3.1 Périodes d’observation des stations pluviométriques de la zone d’étude

Tableau 3.2 Périodes d’observations des stations pluviographiques de la zone d’étude

Les données de ces stations couvrent une période d’environ 40 ans. Les plus récentes d’entreelles ont démarré vers le début des années 1980 tandis que les plus anciennes datent de la findes années 1950 (Tableau 3.1, Tableau 3.4). Sur ce réseau, la durée minimale desobservations par station est de 9 ans, alors que leur durée moyenne est de 25 ans et que



seulement 7 postes disposent de plus de 30 années d’enregistrements pluviométriques (Figure3.5).

Globalement huit stations pluviographiques ont été installées sur ce bassin et ses environs parles services du Ministère de l’Agriculture (DCES et DGRE) depuis la fin des années 1960. Laplus ancienne est la station d’Oued Hajar qui a fonctionné entre 1970 et 1990, tandis que lesplus récentes datent de 1996 (Tableau 3.2). Sans tenir compte des lacunes, la moyenne de ladurée des observations n’est que de 10 années par station et seules 3 stations disposent de plusde 10 années d’enregistrement.

Sur le plan spatial, les stations pluviographiques sont inégalement réparties. En effet, commeon peut le remarquer sur la Figure 3.4, la partie Sud du bassin est peu couverte par rapport àla partie Nord qui contient la quasi-totalité des stations pluviographiques.

3-2-2- Vérification des données pluviométriques

3-2-2-1- Méthodes de contrôle des données

Les données pluviométriques de la Tunisie centrale ont fait l’objet de plusieurs études dans lepassé. Les principaux travaux ont concerné l’homogénéisation des pluies annuelles de cetterégion (Lafforgue, 1983 ; Lafforgue et Memi, 1983 ; Camus, 1985 ; Camus, 1986).

La méthode de double masse a été utilisée, dans cette étude, pour le contrôle des donnéespluviométriques. Cette méthode vérifie l’homogénéité temporelle d’une suite desprécipitations annuelles d’une station par rapport à une station homogène dans le temps de lamême zone climatique (Brunet-Moret, 1979). Nous avons ensuite utilisé la méthode del’ellipse de Bois (Musy, 2005) pour contrôler les stations n’ayant pas donné des résultatssatisfaisants avec la première méthode.

La méthode de l’ellipse de Bois fait l’hypothèse que la variable à tester Y est liée à la variabletest X par une régression linéaire et que les résidus issus de cette régression ont unedistribution gaussienne. La méthode consiste à analyser le cumul des résidus de la régression.Ainsi pour un seuil de probabilité α, un point d’abscisse k (k= 1,n) et d’ordonnée la sommeS(k) de k résidus se trouve à l’intérieur d’une ellipse centrée au point n/2 et de demi axe P(k)(éq. 2.1). Il y a α % de chance pour qu’un point représentant un cumul soit en dehors del’ellipse. Lorsqu’un point du cumul se retrouve en dehors de l’ellipse de seuil de significationα alors l’hypothèse que la variable Y soit linéairement liée à la variable X est rejetée.

( )( ) εα σ1)(

−−= n

knkUkP (2.1)

Où Uα est la variable centre réduite de probabilité au non dépassement 1-α/2.



3-2-2-2- Comment appliquer les méthodes de contrôle des données

Vu le nombre important des stations, il a fallu trouver une façon plus ou moins objective dechoisir les stations de référence ainsi que les stations sous leur influence. Nous avons doncconsidéré les six postes pluviométriques les plus anciens et qui couvrent le bassin d’amont enaval comme stations de référence : Makthar, Kesra, Ouslatia, Haffouz, El Ala et Sidi Saad.Ensuite nous avons, par la méthode de Thiessen, divisé le bassin du Merguellil en six zonesd’influence (Figure 3.6). Les stations de contrôle de chaque zone ont été ainsi rattachées à lastation de référence de la zone (Tableau 3.3).

Figure 3.6 Découpage du bassin en zones d’influence pour le contrôle des stationspluviométriques

Dans un premier temps nous avons cependant contrôlé les stations de référence entre elles.Pour cela les stations de Kesra à l’amont et Haffouz à l’aval ont été choisies commeprincipales. Ainsi Makthar, Ouslatia et El Ala ont été contrôlées par Kesra ; tandis queOuslatia, El Ala et Sidi Saad l’ont été par Haffouz.

Tableau 3.3 Correspondance entre les stations pluviométriques et leurs zones de référenceN° de la zone Station principale Stations à contrôler

1 Makthar Tella et Majbar

2 Kesra Skhira, Gueria et Abdessadok

3 Ouslatia Aïn Jelloula et Hajar_Naceur

4 El Ala Moaz_Ali, Messiouta, Serja et Trozza

5 Haffouz Bouhafna, Sidi Boujdaria, Aïn Baïdha, El Haouareb Barrage et Cherichira

6 Sidi Saad Hajeb El Ayoun



3-2-2-3- Mise en uvre de la méthode de double masse

Pour ce qui est du contrôle des stations de référence, l’application de la méthode de doublemasse à l’échelle annuelle n’a pas décelé d’anomalies particulières dans les nuages des pointsdes différentes comparaisons. On peut juste y remarquer un saut correspondant à l’annéehydrologique exceptionnellement pluvieuse de 1969/70.

Figure 3.7 Représentation des stations pluviométriques présentant des anomalies par laméthode de double masse

Les résultats de l’application de cette méthode à l’échelle annuelle montre que pour la zone 1un certain changement de pente pour la station de Tella (Figure 3.7 (a)) tandis que Majbar nemontre pas d’anomalies significatives. L’application de la méthode de double masse dans leszones 2 et 6 ne montre pas de points aberrants dans les nuages des points de toutes les stationstestées. Pour ce qui est de la zone 3 il y a un changement de la pente à partir des années 1980à la station d’Aïn Jelloula (Figure 3.7 (b)), alors que la station de Hajar_Naceur se comportenormalement par rapport à la station principale d’Ouslatia.

Pour la zone 4, les stations de Trozza, Messiouta et Serja ne semblent pas présenter un défautd’homogénéité. Tandis que la station de Moaz_Ali (Figure 3.7 (c)) présente un changementde pente qui serait dû au fait qu’elle est le résultat d’une fusion de deux stations : Moazil quiva de 1980 à 1990 et Fidh Ali qui a commencé en 1993. La méthode de double masse donnede bons résultats pour toutes les stations de la zone 5 à part celle de Bouhafna (Figure 3.7 (d))qui présente un léger changement de pente vers 1977.



3-2-2-4- Mise en oeuvre de la méthode d’ellipse de Bois

La méthode d’ellipse de Bois a été utilisée pour contrôler les stations sur lesquelles nousavons constaté des anomalies en utilisant la méthode de double masse. Ainsi les stations deTella, Aïn Jelloula, Moaz_Ali et Bouhafna ont été contrôlées par cette méthode en utilisantleurs stations de référence respectives.

Figure 3.8 Contrôle par la méthode de l’ellipse de Bois des stations présentant des anomaliespar la méthode de double masse

Les résultats de ce contrôle sont illustrés sur la Figure 3.8. Ils montrent que seule la stationMoaz_Ali ne présente pas de défaut d’homogénéité au niveau de signification de 95%. Auseuil de 1%, les stations de Bouhafna et de Tella sont homogènes, alors que celle d’AïnJelloula est rejetée pour l’hypothèse d’homogénéité.

Le contrôle des stations de référence entre-elles, par la méthode de l’ellipse de Blois, montreque celles de Makthar et Ouslatia ne sont pas homogènes comparativement à la station deKesra alors que celles de Sidi Saad et El Ala le sont au seuil de 95% comparativement à lastation de Haffouz. A l’intérieur des zones de référence, à l’exception de Skhira, toutes lesautres stations ayant été estimées homogènes par la méthode de double masse sont confirméespar la méthode de l’ellipse de Bois. En effet pour Skhira, aux niveaux 5% et 1% de seuil,l’homogénéité est rejetée en référence à Kesra.

Nous constatons donc que la plupart des stations pluviométriques du bassin versant duMerguellil ont des données fiables, au moins à l’échelle annuelle. La station d’Aïn Jelloula,



qui ne permet pas de conclure à l’homogénéité par les deux méthodes de contrôle desdonnées, ne sera pas utilisée dans la suite de cette étude.

3-2-3- Caractérisation des données pluviométriques

3-2-3-1 Caractérisation de la pluie au niveau des stations individuelles

Pour caractériser les pluies de ce bassin au niveau local, les vingt trois stationspluviométriques ont été utilisées. L’écart type et le coefficient de variation des pluiesannuelles signalent une assez forte disparité des données des stations du Merguellil (Tableau3.4). Cette disparité est plus importante pour les stations dont les mesures couvrent les pluiesexceptionnelles de l’automne 1969, particulièrement les stations d’Aïn Baïdha, Bouhafna, ElAla, Hajeb El Ayoun et Sidi Saad où les coefficients de variation dépassent 0.50. Le Tableau3.4 montre aussi que la variabilité annuelle des données pluviométriques augmente du nordvers le sud du bassin du Merguellil. Au nord de ce bassin cette variabilité augmente de l’Estvers l’Ouest, alors qu’au Sud du bassin elle augmente dans le sens contraire (d’Ouest en Est).

Tableau 3.4 Caractéristiques des données annuelles des stations pluviométriquessélectionnées pour cette étude

Période d’étude Caractéristiques des données observées Variable

Station Nom Code DGRE Altitude (m)

Début Fin Moyenne(mm)

Médiane(mm)

Ecart type(mm)

Coefficientde Variation

Abdessadok 6388185 787 1980 2000 312 271 82 0.26 Aïn Baïdha 6005311 297 1982 2000 215 184 108 0.50 Aïn Jelloula 6016911 175 1965 2000 317 290 110 0.35 Bouhafna 6137111 300 1966 1989 291 229 219 0.75 Cherichira 6162411 321 1965 2000 273 205 124 0.46 Djebel Trozza 6216811 450 1978 2000 318 277 154 0.48 El Ala 6060211 466 1965 1998 351 312 184 0.52 El Haouareb 6308611 250 1970 2000 244 231 99 0.40 Gueria 6296904 674 1967 1998 357 325 148 0.42 Haffouz 6303811 280 1968 2000 338 317 147 0.43 Hajeb El Ayoun 6303011 350 1958 2000 340 286 204 0.60 Kesra 6366604 989 1966 2000 423 398 138 0.33 Majbar 6406904 855 1980 1998 271 247 83 0.31 Makthar 5410204 900 1965 1998 519 482 161 0.31 Messiouta 6417411 661 1980 1998 240 208 102 0.42 Moaz_Ali 6406211 587 1980 2000 286 255 122 0.43 Hajar_Naceur 6491411 375 1970 2000 275 260 103 0.37 Ouslatia 6506511 460 1962 2000 401 387 139 0.35 Serja (Henchir Bhima) 6321911 450 1980 2000 261 272 106 0.40 Sidi Boujdaria 6623800 215 1974 1986 208 195 45 0.22 Sidi Saad 6658811 238 1956 2000 256 228 132 0.51 Skhira 6584704 600 1974 2000 329 303 102 0.30 Tella 6761404 861 1980 1998 265 240 100 0.38

Conformément à l’allure générale du pays (Sakiss et al., 1991), les pluies diminuent du nordvers le sud et de l’amont à l’aval du bassin versant du Merguellil (Tableau 3.4). On a ainsi enmoyenne un gradient pluviométrique d’environ 20 mm par 100 m d’altitude sur ce bassin



(Kingumbi, 1997).

La représentation des données pluviométriques annuelles montrent que, pour la plupart desstations de ce bassin, les distributions sont normales (Annexe 1). Cependant on remarque quedans la partie Sud et Est du bassin du Merguellil (sur les stations d’Aïn Baïdha, Cherichira,Hajeb El Ayoun et Sidi Saad) les distributions annuelles sont dissymétriques et penchées versles faibles valeurs.

3-2-3-2 Caractérisation de la pluie au niveau régional

Nous avons calculé, au niveau des bassins jaugés, la pluviométrie moyenne journalière. Cecalcul a été effectué à l’aide des polygones de Thiessen (1911) et en ne tenant compte, àchaque moment, que des stations disposant des mesures. Ainsi plusieurs cartes de répartitionspatiale des pluviomètres ont été utilisées, la plus complète de toutes est représentée par laFigure 3.9.

Figure 3.9 Surfaces associées aux postes pluviométriques pour le calcul de la pluie moyennedes sous bassins du Merguellil

Les moyennes calculées pour chaque sous bassin vont de 1966 à 1998 et ont permis d’estimerla pluie annuelle du bassin du Merguellil. Sur la période, la pluie annuelle varie entre 160 et970 mm, avec une moyenne interannuelle de 325 mm. Par ordre de pluviosité, la moyenne et



la médiane témoignent que le bassin du Zebbes est moins pluvieux que celui de Skhira(Tableau 3.5). Il témoigne aussi que la partie intermédiaire (Haffouz) est plus arrosée quel’aval du bassin (El Haouareb). La variabilité spatiale, qui tient compte de la corrélationspatiale entre les stations et de la variabilité individuelle des stations pluviométriques(Tableau 3.4), est plus importante sur la région la mois pluvieuse (Tableau 3.5).

Tableau 3.5 Caractéristiques des pluies moyennes annuelles (1966-1998) des sous bassins duMerguellil

Sous bassins au niveau deVariable(Pluie annuelle) Skhira (193 Km²) Haffouz (663 Km²) Zebbes (181 Km²) El Haouareb (1192 Km²)

Moyenne (mm) 381 339 319 326

Médiane (mm) 336 299 286 285

Ecart type (mm) 147 148 169 148

Coefficient de variation 0.39 0.44 0.53 0.46

Sur le bassin du Merguellil la saison pluvieuse est repartie sur neuf mois, durant lesquelstombent 90% des précipitations. Elle va de Septembre à Mai, avec une moyenne mensuelle de30 mm. La répartition annuelle est bimodale, avec les pics en automne et au printemps, tandisque l’hiver présente un minimum pluviométrique relatif (Figure 3.10). En été seul le mois dejuillet est véritablement sec, en effet les mois de juin et août présentent souvent des séquencespluvieuses orageuses avec de très fortes intensités pluviométriques.

Figure 3.10 Répartition mensuelle des pluies du bassin versant du Merguellil limité aubarrage d’El Haouareb (1966-1998)



Figure 3.11 Distribution de la pluviométrie annuelle du bassin versant du Merguellil (1966-1998)

Malgré une allure générale qui reste la même (bimodale), la répartition mensuelle de lapluviométrie est très influencée par les pluies exceptionnelles de l’automne 1969. En effetsans tenir compte de l’année hydrologique 1969/70, les moyennes des mois de Septembre etOctobre baissent chacune de près de 10 mm alors que celles des autres mois restentsensiblement les mêmes.

Figure 3.12 Ecarts centrés réduits de la pluviométrie annuelle du bassin versant du Merguellil(1966-1998)

La distribution des pluies annuelles du bassin versant du Merguellil à El Haouareb est



unimodale. Elle présente un pic correspondant à la classe de pluies comprises entre 250 et 300mm, cette classe représente à elle seule plus de 30% de tout l’historique de ce bassin (Figure3.11).

L’examen de l’évolution temporelle de la pluviométrie de ce bassin met en exergue lapluviométrie exceptionnelle de l’année hydrologique 1969/70. En effet, la pluie de cette annéeéquivaut à trois fois la moyenne interannuelle de tout l’historique. L’année hydrologique1989/90 apparaît aussi comme une année excédentaire alors que les années 1987/88 et1993/94 sont les plus déficitaires de tout l’historique. Les écarts centrés réduits sur la pluieannuelle du bassin du Merguellil montrent une longue période déficitaire, comprise entre1976/77 et 1988/89, qui est encadrée par deux périodes plus ou moins excédentaires (Figure3.12).

3-2-3-3 Caractérisation des intensités pluviométriques du bassin du Merguellil

Dridi (2000) a étudié, sur des périodes non concomitantes, les intensités maximales en 5minutes déduites des averses enregistrées sur les trois stations les plus anciennes (Tableau3.6). Elle a constaté qu’à l’échelle annuelle les faibles intensités (< 10 mm/h) représentententre 33 et 43% des intensités maximales observées alors que les fortes intensités (> 100mm/h) ne dépassent pas 5%.

Tableau 3.6 Pourcentages des classes d’intensités correspondant aux différentes stationspluviographiques (Dridi, 2000)Intensité (I) / Station Haffouz (%) Oued Hajar (%) Kesra (%)I < 10 mm/h 33 37 43

10 mm/h < I > 20 mm/h 24 29 22

20 mm/h < I > 30 mm/h 20 14 10

30 mm/h < I > 50 mm/h 9 12 11

50 mm/h < I > 100 mm/h 11 6 9

I > 100 mm/h 3 2 5

Elle a aussi constaté que les proportions des intensités supérieures à 30 mm/h étaientbeaucoup plus importantes pendant la saison d’automne qu’au printemps (Tableau 3.7). Cesdernières peuvent atteindre le double des proportions du printemps surtout pendant les moisde septembre et octobre.

Tableau 3.7 Comparaison saisonnière des proportions d’intensités supérieures à 30 mm/h auxdifférentes stations pluviographiques (Dridi, 2000)Période / Station Haffouz (%) Oued Hajar (%) Kesra (%)Printemps 26 15 28

Automne 39 19 28

Septembre et Octobre 40 33 33

Au moyen de traitements statistiques, elle a tracé les courbes d’Intensités Durées etFréquences (IDF) de ces trois stations et a déduit les récurrences de certains seuils d’intensité.Ainsi les intensités maximales en 5 minutes de récurrence annuelle varient entre 10 et 20



mm/h, alors que celles d’une récurrence décennale varient entre 65 et 120 mm/h.

3-2-4- Reconstitution des données pluviométriques manquantes

Toutefois, les 23 stations sélectionnées comportent beaucoup de lacunes. Pour utiliser leursdonnées dans la modélisation il fallait d’abord reconstituer les données manquantes. Nousavons utilisé la méthode d’interpolation de Thiessen pour déterminer les stations du bassin quiseront prises en compte dans la modélisation. Nous aboutissons à l’exclusion de 2 stationssupplémentaires (Figure 3.13) qui sont suffisamment éloignées du bassin du Merguellil pourêtre prises en compte par la méthode d’interpolation considérée (Makthar et Serja). Troisstations (Aïn Jelloula, Makthar et Serja) ne seront pas considérées dans la suite, ce qui fait quenous avons en définitive 20 stations pluviométriques qui seront utilisées dans la modélisationdes écoulements de ce bassin.

Figure 3.13 Couverture spatiale des zones météorologiques utilisées dans la modélisation dubassin de l’oued Merguellil

Pour combler les lacunes, nous avons établi des coefficients de corrélation de Pearson entreles stations et leurs stations principales respectives. En ce qui concerne les stations de Tella etMajbar nous avons par contre utilisé Kesra comme station de référence parce qu’avecMakthar nous avons obtenu un coefficient non significatif. Ces corrélations ont été effectuéesau pas de temps mensuel et non à l’échelle journalière car les nuages des points présentaientbeaucoup de dispersion. Les résultats montrent que la plupart des corrélations sontsignificatives avec un coefficient de corrélation supérieur à 0.8 (Annexe 2).

Nous avons ainsi répertorié, sur la période 1969-1998, 132 années stations qui comportent des



lacunes sur un total de 580 années stations. Ces lacunes ont été complétées par régressionlinéaire simple, ce qui nous a permis d’avoir une base de données pluviométriques complète,prête à être utilisée dans la modélisation hydrologique.

Pour estimer l’incertitude due à la reconstruction des chroniques par des régressions linéairesentre les stations, nous avons calculé la pluie moyenne spatiale du bassin du Merguellil pourl’année hydrologique 1984/1985 (349 mm) par les polygones de Thiessen (Figure 3.9). Cetteannée (1984/1985) a été choisie en tenant compte du fait qu’elle constitue une période oùtoutes les stations pluviométriques ne comportent aucune lacune (Tableau 3.1). Nous avons,par la suite, sélectionné la période où il y avait le plus de lacunes dans les mesures : l’annéehydrologique 1972/1973 avec 11 stations comportant des lacunes a été ainsi sélectionnée(Tableau 3.1). En utilisant les régressions linéaires de l’annexe 2, nous avons reconstitué lesdonnées journalières de ces stations sur la période 1984/1985 avec lesquelles nous avonscalculé une nouvelle moyenne spatiale annuelle (353 mm) par les polygones de Thiessen.Nous aboutissons à une erreur de la pluie moyenne annuelle reconstituée sur le bassin duMerguellil inférieur à 2% par rapport à la moyenne calculée par les mesures réelles. Cettevaleur indique la faible incertitude sur le bilan annuelle introduite par la reconstitution deschroniques par les régressions linéaires.

3-3- Hydrométrie de la zone d’étude

La base de données hydrométriques utilisée ici a été constituée par la Direction Générale desRessources en Eau (DGRE) et vérifiée en collaboration entre la DGRE et l’IRD. Cette base aété implantée dans le logiciel Hydrom (Cochonneau, 1989 ; Boyer et al., 1994)habituellement utilisé par l’IRD dans le traitement des données hydrométriques. Ces donnéessont sous format de débits instantanés issus des jaugeages et de la conversion des hauteurs endébits à l’aide des courbes de tarage élaborées pour différentes stations de ce bassin(Bouzaiane et Lafforgue, 1986 ; Tchatagba, 1998). Après vérification de ces donnéesinstantanées nous avons calculé par intégration un fichier de débits moyens journaliers pourchaque station de ce bassin.

3-3-1- Réseau hydrographique

Le réseau hydrographique du bassin versant du Merguellil est constitué d’un cours d’eauprincipal qui prend naissance sur les flancs sud du plateau de Makthar et a pour exutoire lagrande plaine de Kairouan. Il prend, de l’amont vers l’aval, différents noms : l’oued Bahloul,l’oued Skhira, l’oued Kerd et enfin l’oued Merguellil.

Le bassin versant du Merguellil étant soumis à une forte érosion, son réseau hydrographiqueest constitué d’un chevelu très développé (Figure 3.14). Cependant, on peut distinguer troisprincipaux affluents en rive droite. Il s’agit, d’amont en aval, de l’oued Morra qui rejointl’oued Merguellil après la station de Skhira et qui draine un sous bassin d’une centaine de



km2. Ensuite il y a l’oued Zebbes qui prend naissance sur le plateau d’El Ala et qui draine unesuperficie d’environ 200 km2 à sa confluence avec le Merguellil. Enfin, l’oued Ben Zitounedraine le flanc sud du djebel Trozza.

Figure 3.14 Réseau hydrographique et stations hydrométriques du bassin du Merguellil

Le réseau hydrographique est caractérisé, à l’amont, par de faibles largeurs. A l’aval, l’ouedMerguellil est très étendu en largeur et peut atteindre 1 Km. Dans ces zones les lits des ouedssont d’ailleurs très sableux alors qu’à l’amont ils sont plus rocheux. A l’aval, les cours d’eauxsont ainsi plus exposés aux phénomènes d’érosion et de sapements des berges, ce qui fait queleurs lits peuvent changer de forme d’une crue à une autre.

3-3-2- Stations des mesures hydrométriques

Plusieurs stations hydrométriques ont été implantées sur les cours d’eau du bassin versant duMerguellil. Nous en avons sélectionné quatre situées sur les principaux sous bassins et pourlesquelles nous disposons des données hydrométriques. Ces stations sont, de l’amont versl’aval, Skhira, Haffouz, Zebbes et Sidi Boujdaria et les débuts de leurs mesures sont trèsvariables : entre 1965 et 1996 (Tableau 3.8).



Tableau 3.8 Périodes d’observation des principales stations hydrométriques du bassin versantdu Merguellil

En ce concerne les moyens matériels, ces stations sont généralement équipées de batteried’échelle, de limnigraphe, de téléphérique et éventuellement d’un poste radio d’annonce descrues. Les moyens humains sont constitués essentiellement d’observateurs qui résident surplace, des hydrologues du CRDA de Kairouan et de l’IRD qui effectuent des visitesmensuelles pour la maintenance des équipements.

Nous disposons aussi des apports au niveau du barrage d’El Haouareb calculés dans le cadred’une étude du bilan de cette retenue (Kingumbi, 1999 ; Kingumbi et al., 2004). Lescaractéristiques morphologiques des sous-bassins limités à ces stations hydrométriquesfigurent dans le Tableau 2.2.

3-3-3- Vérification des données hydrométriques

3-3-3-1- Anomalies et lacunes dans les données hydrométriques journalières

Nous avons constaté quatre types d’anomalies dans la base des données hydrométriques. Lapremière anomalie concerne des lacunes qui n’existent qu’au niveau des stations de Haffouzet Sidi Boujdaria (Tableau 3.8). Le deuxième type d’anomalies concerne des gros événementspluviométriques qui n’ont pas été suivis par des écoulements conséquents. Nous avonsconsidéré des évènements qui contiennent au mois une journée dont la lame précipitée,calculée sur un sous bassin de la station hydrométrique, dépasse 10 mm. Ces cas se retrouventau niveau de toutes les stations hydrométriques du bassin du Merguellil. Le troisième typed’anomalies concerne des événements qui ont produits d’importants écoulements à Skhiramais qui n’ont pas été enregistrés à Haffouz. Tous les évènements dans lesquels unedifférence de flux entre ces deux stations est supérieure à 0.5 m3/s ont été considérés. Ledernier et quatrième type d’anomalies concerne les événements pluvieux qui ont produit desdébits qui nous semblent plus importants que les pluies à leur origine. Globalement lesévènements dont la pluie est inférieure à 5 mm et qui ont produit un débit moyen journalierdépassant 1 m3/s ont été considérés.

3-3-3-2- Comparaison des pluies et des débits journaliers au niveau des sous bassins duMerguellil

Dans cette section nous avons voulu comparer la pluviométrie moyenne calculée à l’aide despolygones de Thiessen au niveau de chaque sous bassin avec les débits mesurés à leur



exutoire (Figure 3.15). Cette comparaison à l’échelle journalière montre que pour le sousbassin de Skhira il y a une multitude d’événements pluvieux importants qui n’ont pas étésuivis par des écoulements (Figure 3.15a). En revanche, toute crue majeure est consécutive àun événement pluvieux. Mais parfois les volumes des crues sont plus importants que ceux despluies correspondantes.

Pour le bassin de Haffouz (Figure 3.15b), en plus des observations signalées précédemment,plusieurs lacunes dans les mesures hydrométriques ont été signalées. Pour le bassin de Zebbes(Figure 3.15c), les crues sont bien en concordance avec les pluies qui sont à leur origine àl’exception de l’un des plus forts débits enregistré à cette station (mesuré le 12 Décembre1996) qui ne correspond à aucune pluie. Etant donné que la valeur pluviométrique utiliséevient de deux stations (Figure 3.9) qui n’ont enregistré aucune pluie ce jour, c’est la chroniquede débit qui n’aurait pas été suivie correctement.

Figure 3.15 Comparaison journalière de la pluie moyenne sur les sous bassins des stationshydrométriques du Merguellil et des débits moyens mesurés à leurs exutoires

Pour ce qui est du barrage d’El Haouareb (Figure 3.15d), il est à souligner que c’est la stationqui présente le meilleur synchronisme entre les apports journaliers et la pluie moyennecalculée sur le bassin.

3-3-3-3- Comparaison des pluies et des débits à l’échelle des évènements pluvieux

Dans les séries des débits disponibles, nous avons recherché les événements les plusimportants. Ces événements ont été recherchés en se fixant comme critère une augmentationde débit supérieure ou égale à 0.5 m3/s. Pour ce qui est de la fin des événements, le critère prisen compte consistait à définir la fin de l’événement lorsque le débit journalier devenaitinférieur ou égal à 0.1 m3/s. Ces seuils ont été retenus par rapport aux valeurs des débits



journaliers, mesurés aux différentes stations hydrométriques, correspondants à des situationsd’étiage. Il a été ainsi constaté que, à l’exception de l’année hydrologique exceptionnelle1969/1970, les débits journaliers excédents 500 l/s correspondent à des situations de montéedes eaux à toutes les stations hydrométriques observées sur de longues durées (Skhira,Haffouz et Sidi Boujdaria). Par ailleurs, à toutes ces stations, les débits inférieurs à 100 l/scorrespondent à des situations de basses eaux.

3-3-3-3-a- Station hydrométrique de Skhira

En utilisant les critères de sélection cités ci-haut nous avons obtenu pour la stationhydrométrique de Skhira 199 évènements sur la période 1974-1998 (Figure 3.16). Nous avonsrecensé 10 évènements dont les volumes étaient relativement forts comparativement auxpluies, 2 évènements dont les volumes étaient relativement faibles comparativement auxpluies qui sont à leur origine, et 7 évènements dont les pluies sont quasi nulles alors que lesdébits correspondant sont relativement élevés.

Figure 3.16 Comparaison pluie-volume des évènements sélectionnés à la stationhydrométrique de Skhira (1974-1998)

3-3-3-3-b Station hydrométrique de Haffouz

En utilisant ces critères nous avons obtenu, sur la période allant de septembre 1966 à août1998, 200 évènements. Cependant, comme certains s’étendaient sur plusieurs dizaines dejours voir même des centaines de jours, leur examen plus détaillé a permis de les subdiviseren plusieurs événements plus courts. En totalité, un ensemble de 247 événements a étérecensé.

La représentation des pluies en fonction des volumes apportés par chaque évènement a donné



la Figure 3.17 sur laquelle on a ajusté une régression polynomiale. De façon générale nousconstatons que l’ajustement est de plus ou moins bonne qualité avec un coefficient dedétermination de 0.85.

Figure 3.17 Comparaison pluie-volume des évènements sélectionnés à la stationhydrométrique de Haffouz (1966-1998)

Cependant quelques évènements s’écartent de l’allure générale. Plus de 70% des 18évènements qui présentent des volumes relativement excessifs par rapport à la pluie à leurorigine se situent dans la période 1976-1989, période durant laquelle il a été constaté unerelative diminution de la pluviométrie par rapport aux périodes antérieure et postérieure(Kingumbi, 2001). D’autre part, nous avons par la suite trié les évènements en fonction deleur pluie, ceci a permis d’isoler 9 évènements dont les pluies sont jugées trop faibles parrapport aux débits produits.

3-3-3-3-c- Station hydrométrique de Sidi Boujdaria

Soixante quatorze événements ont été détectés sur la période 1974-1986. La représentationdes volumes en fonction des pluies qui sont à leur origine a donné la Figure 3.18. Il en ressortaussi trois types de réponse à la pluie avec les volumes apportés très forts, très faibles ouintermédiaires.

Le premier type d’évènements dont les débits sont relativement supérieurs est composé d’uneffectif de 16 éléments. On peut citer à titre d’exemple l’événement du 27 au 28 Mai 1976qui, avec une moyenne de 5 mm sur ce sous bassin, a apporté près de 5 millions de m3 alorsqu’un événement ayant la même quantité de pluies apporte un volume de l’ordre de 0.6million de m3 en moyenne.



Figure 3.18 Comparaison pluie-volume des évènements sélectionnés à la stationhydrométrique de Sidi Boujdaria (1974-1986)

Dans le deuxième type de réponse on observe 10 évènements. L’événement du 11 au 13novembre 1982 en est l’exemple. En effet, avec une pluie de 47 mm, cet évènement n’aapporté qu’un volume de 1 million de m3 alors que les évènements de même ordre de pluiesapportent en moyenne un volume de 10 millions de m3.

Le dernier type de réponse donne 48 événements dont nous avons ajusté une régressionpolynomiale d’ordre 2 entre leurs volumes et leurs pluies (Figure 3.18).

Nous avons aussi examiné s’il n’y avait pas d’importants évènements pluviométriques quin’avaient pas été suivis par des apports. Au début nous avons considéré tous les évènementsdont la moyenne pluviométrique sur le bassin dépassait 5 mm. Après nous avons fait le tri enconsidérant premièrement la somme de pluies apportées par l’événement. Ainsi, tous lesévènements dont le cumul pluviométrique dépassait 30 mm ont été sélectionnés. Ensuite nousavons considéré en plus tous les évènements dont la moyenne journalière dépassait 10 mm. Etenfin tous les événements, qui comportent un jour durant lequel la moyenne journalièrecalculée sur le bassin est supérieure ou égale à 10 mm ont été sélectionnés. Ces trois critèresnous ont permis de sélectionner en tout 18 évènements pluvieux qui n’avaient pas étaientdétectés en considérant seulement les débits comme critère de sélection. A titre d’exemple onpeut citer l’évènement du 9 au 10 janvier 1983 dont la pluie était de 34 mm et qui n’a produitque 0.02 millions de m3 soit un débit moyen journalier de 70 l/s.

Il en ressort qu’il y a 18 évènements qui n’ont pas été suivi de mesures et dont la période n’apas été signalée comme comportant des lacunes dans les données hydrométriques de cettestation. Ces évènements peuvent correspondre aux erreurs humaine (crues non jaugées) ou



d’appareillage (limnigraphe bloqué ou hors service).

3-3-4- Caractérisation des données hydrométriques

3-3-4-1- Station hydrométrique de Skhira

La station de Skhira est installée sur l’oued Merguellil et couvre sa partie amont d’unesuperficie d’environ 200 Km². Elle a été installée en 1974 sur une section rocheuse qui luiconfère une bonne stabilité (Rabhi, 1997).

Figure 3.19 Répartition annuelle de la lame mensuelle écoulée à la station hydrométrique deSkhira (1974-1998)

Sur cette station, la lame annuelle écoulée estimée par intégration des hydrogrammes varieentre 2 et 67 mm avec une moyenne interannuelle de 32 mm. L’évolution annuelle de la lameécoulée montre que le mois de Septembre est de loin le plus riche en écoulement avec plus de7 mm, tandis que Juillet est le mois le plus pauvre avec moins de 1 mm (Figure 3.19). Onconstate que les pluies orageuses du mois d’Août produisent beaucoup d’écoulement parrapport à leur quantité relativement faible. Sur le plan saisonnier, l’automne (avec 38% desécoulements) est plus productif, suivi du printemps (avec 25% des écoulements) et de l’été(avec 20% des écoulements). Malgré un total pluviométrique plus important que celui del’été, l’hiver est la saison la moins productive d’écoulement avec une proportion de 17%.

Les années hydrologiques 1989/90 et 1995/96 ont été les plus riches en écoulement avec plusde 50 mm écoulés tandis que l’année 1983/84 a été la moins productive avec moins de 3 mmécoulés. Ces années se distinguent bien sur la figure des écarts centrés réduits calculés àpartir de la variable lame annuelle écoulée (Figure 3.20). Cette figure montre aussi unepériode d’une sécheresse prolongée (1976/77–1988/89) concomitante à celle constatée dans la



pluviométrie annuelle (Figure 3.12).

Figure 3.20 Ecarts centrés réduits de la lame écoulée à la station hydrométrique de Skhira(1974-1998)

3-3-4-2- Station hydrométrique de Haffouz

La station de Haffouz a été installée sur l’oued Merguellil en 1965 (Bouzaiane et Lafforgue,1983). A l’exutoire d’un bassin d’environ 675 Km², cette station a la particularité de se situersur une section sableuse, instable pendant les périodes des crues.

Les données de cette station comportent plusieurs lacunes notamment pendant les annéeshydrologiques 1966/67, 1967/68, 1974/75, 1985/86, 1987/88, 1991/92, 1992/93, 1993/94, et1994/95. A l’échelle journalière, la durée des lacunes varie d’une journée à trois semaines. Enconsidérant les années sans lacunes, la lame annuelle écoulée varie entre 6 et 277 mm. Lalame moyenne interannuelle écoulée est de 30 mm sans tenir compte de l’annéeexceptionnelle 1969/70, elle devient 40 mm si on en tient compte.

La répartition annuelle de la lame écoulée montre que, avec 6 mm, le mois de septembre estde loin le mois le plus riche en écoulement, tandis que juillet est le plus pauvre (Figure 3.21).On constate que les pluies orageuses du mois d’août produisent beaucoup d’écoulement parrapport à leur quantité relativement faible. Contrairement à la station de Skhira, la répartitionsaisonnière de la lame écoulée à Haffouz est la même que celle de la pluviométrie. Ainsi lasaison d’automne (avec 42% des écoulements) est la plus productive, suivie du printemps(avec 28% des écoulements), ensuite l’hiver (avec 16% des écoulements) et enfin l’été (avec14% des écoulements).



Figure 3.21 Répartition annuelle de la lame mensuelle écoulée à la station de Haffouz (1970-1998)

3-3-4-3- Station hydrométrique de Zebbes

La station de Zebbes n’a été installée qu’en 1996 (Dhaoui, 1998). Elle draine le sous bassin del’oued Zebbes d’une superficie d’environ 180 Km². Sur la période considérée (1996-1998), lalame annuelle écoulée à cette station (6 mm) est quatre fois moins importante par rapport àcelle écoulée à la station de Haffouz (24 mm). A première vue le bassin du Zebbes produiraitmoins d’écoulement par rapport à celui de Skhira situé à l’amont et qui est de superficievoisine. Cependant, cette hypothèse reste à confirmer étant donné l’historique des mesuresdisponibles.

3-3-4-4- Station hydrométrique de Sidi Boujdaria

La station de Sidi Boujdaria a été mise en place en 1974 (Bouzaiane et Lafforgue, 1983) etdraine un bassin d’une superficie d’environ 890 Km². Elle a fonctionné jusqu’au début destravaux de construction du barrage d’El Haouareb, en 1986. Cependant quelques jaugeages enétiage ont continué à être effectués jusqu’à aujourd’hui.

3-3-4-5- Données issues du bilan du barrage d’El Haouareb

A l’exutoire du bassin versant du Merguellil, il y a le barrage d’El Haouareb qui a été mis eneau en août 1989. Une étude sur le bilan et la modélisation de sa retenue (Kingumbi, 1999) apermis de calculer les apports journaliers parvenant à ce barrage. Nous avons considéré queles apports calculés par ce bilan constituaient les données d’une station fictive située à ElHaouareb. Le bassin versant ainsi suivi est d’une superficie d’environ 1200 Km².



D’après cette étude, la lame annuelle écoulée au barrage d’El Haouareb (sur la période 1989-1998) varie entre 5 et 35 mm avec une moyenne interannuelle de 21 mm. La variationannuelle montre que le mois de septembre, avec 5 mm, est le plus riche en écoulement et quejuillet est le plus pauvre (Figure 3.22). La saison d’automne constitue 44% des écoulements,l’hiver 24% des écoulements, l’automne 23% des écoulements et l’été 9% des écoulements.

Figure 3.22 Répartition annuelle de la lame mensuelle écoulée au barrage d’El Haouareb(1989-1998)

3-3-4-6- Conclusion

Les méthodes mises en uvre pour vérifier les données hydrométriques montrent que cesdernières comportent beaucoup d’anomalies. A titre d’exemple, la comparaison des débits etdes pluies mesurés aux différentes stations pendant les principaux évènements survenusdurant leur historique dégage un nombre assez important d’évènements qui s’écartent ducomportement moyen : 10% des évènements à Skhira, 14% à Haffouz et 48% à SidiBoujdaria. Etant donné que nous ne pouvons déterminer avec certitude l’origine de chaquedéviation, il est plus convenable d’utiliser l’ensemble des données hydrométriques dans lecalage du modèle.

La lame ruisselée diminue de l’amont vers l’aval du bassin du Merguellil. En effet la lamemoyenne annuelle mesurée à la station de Skhira (1974-1998) située à l’amont est d’environ32 mm, celle de la station de Haffouz (1970-1998) située au centre est de 30 mm alors quecelle d’El Haouareb (1989-1998) située à l’aval est de 21 mm. Ceci est conforme à l’évolutiondes pluies moyennes des sous bassins aux différentes stations hydrométriques. Ce constatsemble aussi découler du fait que les superficies des bassins jaugés augmentent de l’amontvers l’aval. Malgré le peu de mesures hydrométriques à la station de Zebbes (située au centre



du bassin), ce constat est conforté par le fait que la lame ruisselée à Skhira (36 mm) est trèssupérieure à celle mesurée à Zebbes (6 mm) sur la même période (1996-1998), alors que leurssuperficies sont très proches.

3-3-5- Caractérisation chimique des eaux de l’oued Merguellil

Il n’existe pas, dans le bassin du Merguellil, des mesures systématiques de la qualité chimiquedes eaux. Cependant, quelques mesures ont été effectuées par la DGRE aux différentesstations hydrométriques. Nous disposons d’une cinquantaine de mesures, couvrant la période1979-2004, faites aux stations hydrométriques de Skhira et Haffouz, ainsi qu’au barrage d’ElHaouareb. D’autres données ont cependant été récoltées et étudiées par Hervieu (2000).

Comme on peut s’y attendre, dans le bassin du Merguellil la minéralisation des eaux desurface augmente de l’amont vers l’aval (Figure 3.23). Hervieu (2000) a montré que ceci estplus visible en période d’étiage où les concentrations moyennes varient de 1.2 g/l (à la stationde Skhira) à 4.7 g/l (à la station de Sidi Boujdaria). Il a mis en évidence la même tendance enpériode de crues, mais de façon plus discrète, avec les concentrations moyennes variant entre0.65 g/l à Skhira et 0.90 g/l à Sidi Boujdaria.

Figure 3.23 Evolution temporelle de la minéralisation des eaux du Merguellil aux stations de(a) Haffouz (b) Sidi Boujdaria (Hervieu, 2000)

Ces valeurs montrent ainsi que les périodes d’étiages sont caractérisées par une plus forteminéralisation des eaux. Les eaux d’étiages se chargent en ions dans leur lente traversée descouches souterraines. Pour ce qui est des eaux des crues, étant donné la rapidité de leurmouvement sous ces latitudes (temps de concentration de moins d’une journée pour le bassindu Merguellil), elles n’ont pas le temps de se charger en éléments dissous.

Il a été aussi remarqué que, entre les deux saisons les plus pluvieuses, le printemps estcaractérisé par une plus forte minéralisation des eaux par rapport à la saison automnale. Cecipourrait s’explique par la part des débits d’étiages (plus chargée) plus importante auprintemps qu’en automne. Une autre explication serait que les pluies du printemps rencontrentun sol bien protégé par la végétation ce qui fait qu’elles ont le temps de s’infiltrer dans le solet d’avoir un contact plus prolongé avec ce dernier.



L’évolution temporelle de la concentration des eaux d’étiages aux différentes stations montreque les stations de Haffouz et de Skhira n’ont pas connu de changements significatifs et queleur moyenne est d’environ 1.2 g/l (Figure 3.23a). Alors que la station de Sidi Boujdaria aconnu une évolution croissante depuis le début des années 1970 jusqu’à aujourd’hui. Cetteaugmentation de la minéralisation des eaux du Merguellil à cette station, qui est passée d’unemoyenne de 2 à 5 g/l (Figure 3.23b), serait une conséquence de la baisse continue de lacontribution de la nappe de Bouhafna, connue pour sa faible minéralisation, aux débitsd’étiage de l’oued Merguellil.

Figure 3.24 Diagramme de Piper des eaux de l’oued Merguellil aux stations hydrométriquesde Haffouz, Skhira et Zebbes ; ainsi qu’au barrage d’El Haouareb.

A partir des données récoltées, un diagramme de Piper des eaux de l’oued Merguellil a étéétabli aux différentes stations hydrométriques (Figure 3.24). Elles montrent généralement queles eaux présentent un faciès sulfaté calcique. Il existe, cependant de petites différences entreles données des différentes stations. Le faciès de la station amont de Skhira se déplace du pôlesulfaté vers le pôle chloruré sodique alors que celui de la station Haffouz située à l’aval tendvers le pôle bicarbonaté (Figure 3.24).

3-4- Conclusion

Le bassin versant du Merguellil est située dans une région caractérisée par un climat semi-aride. Les températures moyennes mensuelles sont comprises entre 5 et 30°C. L’hiver



constitue la période la plus froide de l’année avec des moyennes mensuelles minimalesinférieures à 5°. L’été, avec des moyennes mensuelles maximales supérieures à 30°C, est lapériode la plus chaude de l’année. L’humidité de l’air dans cette région varie entre un étatmoyennement sec en hiver et un état très sec en été. L’évapotranspiration potentiellemensuelle varie entre 50 et 250 mm. Elle suit les mêmes variations que la température avecdes valeurs mensuelles inférieures à 100 mm en hiver et des valeurs qui excèdent 200 mmpendant la saison estivale.

Un total de 23 stations a été sélectionné pour l’étude pluviométrique du bassin du Merguellil.Ces stations, étudiées sur une période de 45 ans (1955-2000), recèlent toutefois denombreuses lacunes. La durée moyenne des observations par station est de 25 ans maisseulement 7 stations disposent des données qui excèdent 30 années d’observation.

La vérification des données pluviométriques a été effectuée à l’aide de deux méthodes : ladouble masse et l’ellipse de Bois. Ces méthodes nous ont permis de mettre en évidencequelques anomalies d’homogénéité dans les données annuelles des stations. Cependant seulesles données de la station d’Aïn Jelloula ne seront pas prises en compte dans la suite de cetteétude parce qu’elles présentent un défaut d’homogénéité. Deux autres stations ont été écartéesde la liste des données à utiliser dans la modélisation suite à leur éloignement par rapport aubassin. Un réseau de 20 stations pluviométriques, dont les données seront utilisées dans lamodélisation hydrologique, a donc été retenu.

Les pluies annuelles dans ce bassin sont comprises entre 200 et 500 mm. Elles sontcaractérisées par un important gradient pluviométrique d’altitude (de 20 mm tous les 100mètres). Ainsi l’amont est plus arrosé que l’aval du bassin versant du Merguellil.

La pluie annuelle est caractérisée par deux pics, en automne et au printemps. L’automne estcaractérisé par une occurrence plus importante des fortes intensités pluviométriques parrapport au printemps, ce qui fait une agressivité des pluies plus importante pendant cettepériode de l’année. Sur l’ensemble du bassin du Merguellil les faibles intensités sont plusrécurrentes alors que les fortes sont rares.

Une carte des zones d’influence des 20 stations pluviométriques qui seront utilisées dans lamodélisation hydrologique du bassin du Merguellil a été dressée à l’aide de la méthode despolygones de Thiessen. Ces zones s’appelleront dans la suite des zones météorologiques.Nous avons complété, sur la période 1969-1998, les données de certaines de ces stations quicomportent des lacunes par régression linéaire à partir des stations de longue durée. Nousdisposons ainsi d’une base des données pluviométriques de 580 années stations, dont 132 quicomportaient des lacunes ont été complétées.

Quatre stations hydrométriques situées sur les principaux sous bassins du Merguellilprésentent un historique intéressant quoique discontinu des données (Skhira, Haffouz, Zebbes



et Sidi Boujdaria). Nous disposons aussi des apports à l’exutoire calculés par le bilan de laretenue du barrage d’El Haouareb dans une étude antérieure. Les données à ces différentesstations montrent une décroissance de la lame ruisselée de l’amont vers l’aval du bassin, quicorrobore celle constatée sur la pluviométrie. Comme pour la pluviométrie, la distributionsaisonnière de l’écoulement est bimodale, avec deux pics en automne et au printemps.

Les données hydrométriques sont caractérisées par un certain nombre d’anomalies regroupéesen deux principales catégories : incohérences entre les débits journaliers concomitantsmesurés aux différentes stations et incohérences entre les débits et les pluies correspondantes.

La comparaison des débits et des pluies mesurés aux différentes stations pendant lesprincipaux évènements survenus durant leur historique montre un assez important nombred’évènements qui s’écartent du comportement moyen. Ces évènements représentent 10% dutotal à Skhira, 14% à Haffouz et 48% à Sidi Boujdaria. Ils montrent ainsi que lecomportement douteux des mesures hydrométriques aux différentes stations augmente del’amont vers l’aval où les stations ont des sections moins stables. En effet, les stations deHaffouz et Sidi Boujdaria présentent des sections sableuses qui peuvent changer d’une crue àune autre ce qui entache la fiabilité de leurs courbes de tarage.

Etant donné que nous ne maîtrisons pas pour chaque évènement l’origine exacte de cettedéviation par rapport au comportement moyen, qui peut d’ailleurs être le fait de non linéarité,toutes les données hydrométriques seront utilisées telles quelles dans la modélisationhydrologique.

Diverses études effectuées sur la zone ont montré que les eaux de l’oued Merguellil, dont laminéralisation est faible comparativement aux oueds voisins, sont caractérisées par un facièssulfaté calcique. Les différentes mesures montrent que le résidu sec augmente de l’amont versl’aval et qu’il est plus important pendant les périodes d’étiages que les crues. Elles montrentaussi l’augmentation de la minéralisation des eaux du Merguellil à la station de SidiBoujdaria, qui serait consécutive à la baisse des apports à l’oued par la nappe de Bouhafnaconnue pour la faiblesse de son résidu sec.

4. Analyse des données hydrogéologiques

Le bassin de l’oued Merguellil qui s’étend sur une superficie de 1325 Km2 comprendplusieurs aquifères qui couvrent environ 600 Km². Ce bassin est situé dans une région semi-aride où les nappes souterraines constituent la principale source d’approvisionnement en eau.La gestion de cette ressource requiert une bonne connaissance du fonctionnement de cesnappes, ce qui met en exergue la nécessité de disposer des données fiables qui constituent unpréalable à la construction d’un modèle représentatif de l’ensemble du système.

Les principales nappes en liaison avec ce bassin topographique sont localisées dans sa partieaval (Figure 4.1). Il s’agit des nappes d’Aïn Baïdha, Bouhafna, Cherichira, et Haffouz. Cesdernières sont interconnectées, mais ont été individualisées et étudiées séparément pardifférents auteurs (Besbes, 1967 ; Hamza, 1976 ; Gribaa, 1997 ; Baba Sy, 1999).

Figure 4.1 Extension spatiale des principales nappes de la zone d’étude

L’objet de ce chapitre est d’essayer de présenter une approche allant de la collecte desdonnées, leur analyse et mise en forme, à l’élaboration de données constituant les entrées de lamodélisation hydrogéologique.

Pour ce faire, nous présenterons dans la première partie la méthodologie adoptée pour letraitement des données hydrogéologiques. Les résultats obtenus seront présentés et analysés

Chapitre IV : Analyse des données hydrogéologiques


dans deuxième partie.

4-1- Méthodologie de traitement des données hydrogéologiquesLes données collectées dans cette étude se rapportent aux affleurements géologiques du bassindu Merguellil, aux formations traversées par les forages et aux différents points d’eau naturelsou creusés par l’homme.

A partir des cartes géologiques établies par différents auteurs sur diverses portions de la zoned’étude (Castany, 1952 ; El Ghali et al., 1995 ; El Ghali et Jouirou, 1995 ; Rabhi et Gaid,1999) nous avons constitué une carte d’affleurements du bassin du Merguellil. Les donnéesrelatives aux formations traversées par les différents forages ont été collectées à partir descompte-rendus de forages et des travaux des différents auteurs qui ont travaillé sur la zone etqui ont élaboré des logs stratigraphiques des forages (Besbes, 1967 ; Hamza, 1976).

Dans cette étude, trois types de points d’eau ont été recensés : les puits de surface, les sourceset les forages. En tout, nous avons recensé environ 500 points d’eau (Figure 4.8) dont 330puits, 120 sondages et une soixantaine de sources (Amri et Bouzid, 1971 ; CRDA Kairouan,1974 ; Hamza et Ben Yarou, 1974 ; CRDA Kairouan, 1979 ; CRDA Kairouan, 1985, Gribaa,1997 ; Baba Sy, 1999). Les localisations géographiques de ces points étant en système deprojection Lambert Tunisie des anciennes cartes, nous les avons converties en système deprojection UTM pour avoir une base de données superposable avec les nouvelles cartestopographiques de la Tunisie. C’est d’ailleurs dans ce système de projection que la base desdonnées topographiques a été traitée.

Pour chaque point d’eau un certain nombre d’attributs éventuellement disponibles ont étésaisis : localisation géographique, altitude du terrain naturel, hauteur de la margelle,profondeur totale, profondeur du plan d’eau, transmissivité et coefficient d’emmagasinement.

Les estimations temporelles des prélèvements dans les points d’eau ont été récoltées à partirdes annuaires d’exploitation des nappes phréatiques (DGRE, 1985-2000) et ceux des nappesprofondes (DGRE, 1973-2000).

Partant de la carte des affleurements du bassin du Merguellil et de la localisation desdifférents points d’eau, une délimitation de l’étendue superficielle des systèmes aquifères dece bassin a été effectuée. L’étendue souterraine de ces aquifères a été esquissée à l’aide descorrélations litho-stratigraphiques élaborées à partir des logs des forages.

Les valeurs des transmissivités et des coefficients d’emmagasinement récoltées dans lescomptes-rendus des essais de pompage des différents forages nous ont permis de caractériserla variabilité spatiale des caractéristiques hydrodynamiques des nappes. La localisationgéographique des points d’eau et le calcul des niveaux piézométriques ont été utilisés pourélaborer, par des méthodes d’interpolation spatiale, des cartes piézométriques des différentesnappes.

L’évolution temporelle du niveau piézométrique globale des nappes a été caractérisée à l’aide



de l’évolution individuelle de la piézométrie sur plusieurs points d’eau dont les donnéesdatent d’une trentaine d’années. Ainsi dans chaque zone tous les piézomètres disposant d’uncertain historique des mesures ont été considérés. L’évolution de la piézométrie a étécomparée dans chaque zone avec celle des principaux facteurs pouvant l’influencer : lapluviométrie qui est un facteur naturel dont dépend la recharge des nappes et les prélèvementsd’eau dans ces nappes qui constituent un facteur anthropique et l’une des sorties desaquifères.

4-2- Synthèse du traitement des données hydrogéologiques4-2-1- Délimitation des systèmes aquifères

4-2-1-1- Affleurements géologiques du bassin du Merguellil

Les principales unités stratigraphiques reconnues en affleurement (Figure 4.2) se suivent de lamanière ci-après :

v Secondaire

− Trias (T)

Les dépôts triasiques affleurent dans les zones fortement tectonisées et se présentent sousdeux aspects : stratifié et extrusif. Ils sont situés au niveau des djebels Trozza, Touila etCherichira. Les formations sont principalement composées des gypses gris-clair, blanc, rougeet noir ; des argiles bariolées et des dolomies grises et sombres. L’ensemble des dépôtscorrespond à la formation Rhéouis (Burollet, 1956).

− Jurassique (J)

Dans la zone d’étude seul le Jurassique supérieur est représenté. Il constitue la formationcalcaire Nara (Burollet, 1956) et affleure au niveau des djebels El Haouareb et Touila. Lesdépôts se composent de calcaires dolomitiques gris-bleu, et de marnes grises ou verdâtres.

− Crétacé

² Valanginien Hautérivien (Cv-h)

Cette unité correspond à la formation Meloussi. Elle affleure au niveau des djebels ElHaouareb et Touila. Elle correspond à une série à dominance gréso-argileuse et dolomitique.

² Barrémien (Cba)

Les dépôts barrémiens correspondent aux formations Bou Hedma et Sidi Aïch. Ils affleurentà l’Ouest et au Nord du djebel Touila et sur les retombées Sud-Est du djebel Trozza. Ils secomposent principalement de barres dolomitiques et d’argiles sableuses.

² Albien-Aptien (Cal-ap)

La série est visible au niveau des djebels Touila et Trozza. Elle est détritique et formée parune alternance de bans de dolomies rousses, de grès roux et de grès sableux avec des



intercalations se sables et de marnes vertes gypseuses ou blanchâtres. La série se termine parun banc dolomitique attribué à l’Albien.

Figure 4.2 Reconstitution de la carte des affleurements géologiques du bassin du Merguellil

² Cénomanien (Cce)

Le Cénomanien est présent au niveau du djebel Trozza. Il est entièrement constitué de marnesavec quelques minces intercalations calcaires.

² Turonien (Ct)

Le Turonien affleure au niveau des djebels El Haouareb, Touila et Trozza. Il est composé, surle plan lithologique, d’une alternance de calcaires et de marnes. Les marnes admettent le plussouvent quelques minces niveaux calcaires.

² Coniacien (Cco)

Les affleurements coniaciens se rencontrent au niveau des djebels El Haouareb et Trozza. Ilssont constitués, au niveau d’El Haouareb, par une alternance de marnes verdâtres et decalcaires gris bioclastiques légèrement gréseux. Au niveau du Trozza la série est entièrementmarneuse avec quelques niveaux de calcaire argileux.



² Santonien (Cs)

Les dépôts santoniens apparaissent au niveau d’El Garia et des djebels Trozza et Touila. Ilscorrespondent à une série essentiellement marneuse admettant quelques barres de calcairesd’une très mince épaisseur.

² Campanien-Maastrichtien (Cca-m)

Cette unité correspond à la formation Abiod. Les calcaires de la formation Abiod affleurentdans le secteur d’El Garia et au niveau des djebels Touila et Trozza. La formation estconstituée dans la région d’El Garia par une seule barre calcaire d’une puissance de 100mètres. Au niveau du djebel Trozza, la formation est constituée d’alternances de calcairesblancs (ou beiges) et de marnes vertes. Au niveau du djebel Touila la série présente un facièsexceptionnel gréso-carbonaté.

v Tertiaire

− Paléocène (Cm-p)

La série paléocène affleure dans le secteur d’El Garia et au niveau des djebels Jebil, Ousselat,Touila et Trozza. Elle correspond à la formation des argiles d El Haria. Au niveau du Trozzaune coupe sur l’oued Hammam montre une série d’argiles vertes admettant des nichescalcaires. Sur le flanc occidental du djebel Ousselat, où le Paléocène est bien représenté, unecoupe montre les argiles d’El Haria et on y trouve le passage Paléocène-Yprésien. La série estconstituée au niveau du djebel Touila de marnes gris-vert et d’argiles vert-olive avec quelquesbancs de calcaires clairs et légèrement gypseuses vers le sommet.

− Eocène

² Yprésien (Ey)

La série affleure sur les djebels Ousselat, Trozza et Touila et dans le secteur d’El Garia dontelle tire le nom de calcaires membres d El Garia et Bou Dabbous. Elle montre des facièsassez irréguliers d’une zone à l’autre. A El Garia, la série est constituée de calcaires micro-cristallins riches en petites nummulites, de calcaires massifs bioclastiques riches en grandesnummulites, et de calcaires massifs rosâtres pétris de grandes nummulites. Les calcaires ànummulites forment une épaisse dalle (420 m) du djebel Ousselat. Au niveau du djebelTrozza, une série composée de calcaires massifs à nummulites et de calcaires dolomitiquescoquilliers constitue une barre saillante dans la morphologie. Au djebel Touila, la série seprésente sous un faciès différent constitué d’une unité inférieure de grès à ciment calcaire etd’une unité supérieure de calcaires homogènes parfois dolomitiques.

² Lutétien-Priabonien (El-p)

Cette série affleure au niveau des djebels Jebil, Touila et Trozza. Au Jebil la série de l’Eocènemoyen à supérieur est à dominance argilo-marneuse. Elle constitue un équivalent latéral des



argiles de la formation Souar. Elle est essentiellement argilo-calcaire au niveau des djebelsTouila et Trozza.

− Oligocène (O)

L’Oligocène affleure sur de larges étendues du bassin du Merguellil et notamment dans lesrégions de Haffouz et Cherichira et sur les djebels Touila et Trozza. Il comprend une partieinférieure constituée par une accumulation de marnes gypseuses et de grès roux. La partiesupérieure est constituée de sables continentaux souvent grossiers à lits de dragées de quartzavec bois silicifiés ou ferrugineux. Cette série constitue la formation Korbous et l’équivalentlatéral du membre inférieur de la formation Fortuna (Burollet, 1956) connu sous le nom de« faciès Cherichira ».

² Aquitanien (Ma)

Les dépôts aquitaniens sont formés par un conglomérat polygénique correspondant à desalternances de sables blancs à dragées de quartz, des argiles vertes feuilletées, et des barres degrès bioclastiques à ciment calcaire. Ils sont représentés au niveau de l’anticlinal de Jebil et dusynclinal d’El Ala. Ils sont aussi présents sur les djebels Hallouf et Touila, mais absents sur leTrozza. Cette série correspond au membre d El Haouaria. Ces dépôts sableux évoluentverticalement vers des silts argileux rouges correspondant à la formation Messiouta. Cetteformation évolue du nord au sud du synclinal d’El Ala jusqu’à atteindre une puissance d’unevingtaine de mètres d’argiles vertes et rouges.

− Néogène

² Burdigalien (Mb)

Le Burdigalien se montre sous plusieurs faciès. Il apparaît sous forme d’une barre soitgréseuse, soit calcaire, soit sous forme conglomératique de puissance variable. On lerencontre aussi sous un faciès marneux plus ou moins sableux. La série affleure au niveau duCherichira, Trozza, Touila, Hallouf, Sidi Boujdaria, Bateun Damous, Ksar Souissine, et à AïnGhorab sur la rive gauche du Merguellil d’où elle tire d’ailleurs le nom de Formation AïnGhorab (Burollet, 1956).

² Vindobonien (Mv)

Le Vindobonien affleure sous forme de marnes sableuses vertes et de gypses avec de petitsbancs de grès bruns à stratifications entrecroisées. Il apparaît au niveau des djebels AïnGhorab, Hallouf et Touila. Il est aussi représenté à Zemla et à l’extrémité orientale du djebelLabaied où il couvre d’importantes superficies sur la rive gauche de l’oued Zeroud. LeVindobonien marin est l’équivalent des formations Oum Douil et Beglia (Burollet, 1956).

² Mio-Pliocène (M-Pl)

Le Mio-pliocène est très épais et couvre de grandes étendues dans le bassin du Merguellil. Ilest constitué de sables grossiers, de conglomérats à éléments de teinte et d’origines diverses,



et de marnes sableuses. Il affleure au Nord Ouest du djebel Cherichira, à Dahra El Beïdha(Haffouz), dans la cuvette d’El Ala, et au niveau des djebels Trozza et Hallouf.

v Quaternaire (Q)

Le Quaternaire est composé essentiellement de sables, de graviers, de galets, de limons,d’argiles, et de croûtes calcaires. Il affleure sur l’ensemble du bassin, notamment dans lesrégions de Haffouz et El Ala, et le long des principaux oueds : Merguellil, Zeroud, BenZitoune et Zebbes. On le retrouve aussi sur le flan oriental du djebel Trozza, à ArgoubDjemel, Kroumet Zemla, Foundouk Loussif et Dahra El Baïdha.

4-2-1-2- Morphologie des principales cuvettes souterraines du bassin du Merguellil

A partir des informations sur la nature des formations traversées par les forages, nous avonspu établir des corrélations litho-stratigraphiques dans les principales cuvettes souterraines dubassin du Merguellil. Les Figures 4.3, 4.4, 4.5, 4.6 et 4.7 montrent les corrélations relativesrespectivement aux coupes 3, 1, 4, 5 et 2 visualisées sur la Figure 4.2. Ces dernières montrentque :

- La cuvette de Bouhafna est un synclinal oligocène d’axe Ouest-Est (Figures 4.3 et 4.4).L’Oligocène affleure sur de grandes étendues à l’Ouest du synclinal (Figure 4.2) alors qu’àl’Est les sondages montrent que le synclinal est limité par des failles (de direction Nord–Sud),ceci fait qu’au Sud-Est du synclinal l’Oligocène de Bouhafna soit recouvert en discordancepar le Mioplioquaternaire constituant la cuvette de Haffouz (Figure 4.4).

Figure 4.3 Corrélation litho-stratigraphique dans la cuvette de Bouhafna (coupe n° 3 de laFigure 4.2)

- La cuvette de Haffouz est une fosse de remplissage mioplioquaternaire limitée à l’Est et àl’Ouest par des failles qui la sépare des synclinaux oligocènes de Bouhafna et de Cherichira(Figure 4.4). Elle constitue le lieu de jonction des principales structures de la région dont laliaison n’est pas bien établie à cause des profondeurs considérables atteintes par leMioplioquaternaire. Cette formation est discordante sur les formations antérieures, mais leforage Haffouz 2 (7599) suggère l’absence de l’extension orientale de l’Oligocène puisqu’ilmontre que le Mioplioquaternaire est discordant sur les calcaires de l’Eocène. Le forage



Haffouz 4 (7800) situé plus à l’Est, d’une profondeur de plus de 700 m, n’a traversé aucuneformation antérieure (Figure 4.4) au Mioplioquaternaire.

Figure 4.4 Corrélation litho-stratigraphique couvrant les cuvettes de Bouhafna, Haffouz etCherichira (coupe n° 1 de la Figure 4.2)

- Le synclinal Oligocène de Cherichira, dont l’axe est de direction NNE-SSO, fait la liaisonentre les djebels Ouesslat et Cherichira (Figure 4.5). Il affleure à l’Est du système et plongeprofondément, dans sa partie occidentale, sous le Mioplioquateraine de Haffouz (Figure 4.4).

Figure 4.5 Corrélation litho-stratigraphique dans le synclinal de Cherichira (coupe n° 4 de laFigure 4.2)- La cuvette d’Aïn Baïdha est limitée à l’Est par l’anticlinal d’El Haouareb-Touila et àl’Ouest par celui du Trozza. Elle est constituée de différents types de formations. Au nord dela cuvette on rencontre principalement un remplissage mioplioquaternaire discordant sur desformations calcaires de l’Eocène (Figure 4.6). Au centre et au Sud du bassin on rencontre desformations du Mioplioquaternaire, de l’Aquitanien, de l’Oligocène et de l’Eocène (Figure4.7). Malgré de nombreux accidents géologiques rencontrés dans le bassin, les corrélationsmontrent que les différentes formations géologiques sont interconnectées.



Figure 4.6 Corrélation litho-stratigraphique dans la partie septentrionale de la cuvette d’AïnBaïdha (coupe n° 5 de la Figure 4.2)

Figure 4.7 Corrélation litho-stratigraphique dans les parties centrale et méridionale de lacuvette d’Aïn Baïdha (coupe n° 2 de la Figure 4.2)

Ces corrélations montrent aussi que, à l’exception de la cuvette de Haffouz où la formationoligocène est absente, cette dernière est de loin la plus étendue en profondeur dans les autrescuvettes de la zone d’étude.

4-2-1-3- Délimitation des nappes

La carte des affleurements montre que dans la partie aval du bassin du Merguellil, quirenferme les principales nappes, les principaux affleurements datent du Quaternaire,Plioquaternaire, Miocène et Oligocène. L’extension de ces derniers a été précisée en étudiantles corrélations litho-stratigraphiques établies dans chacune des quatre cuvettes souterraines.A la lumière de ces résultats, nous avons délimité les aquifères en nappes phréatique etprofonde (Figure 4.8) : la première est constituée essentiellement des formations duMiopliquaternaire tandis que la seconde se compose des formations de l’Oligocène et del’Eocène (Figures 4.4 et 4.7).



Figure 4.8 Situation des points d’eau (sondages et puits) et délimitation des aquifères dubassin du Merguellil en nappes phréatique et profondeDans la zone de Haffouz où la formation mioplioquateraine est très profonde, nous avonsconsidéré que sa partie supérieure constituait la nappe phréatique et sa partie inférieurecomme faisant partie de la nappe profonde. Pour ce qui est de la délimitation de l’étenduespatiale de ces nappes (Figure 4.8) nous nous sommes basés sur la répartition des ouvrages decaptage, les affleurements des couches aquifères et l’orographie de la zone d’étude.

4-2-2- Caractérisation du fonctionnement des nappes

4-2-2-1- Paramètres hydrodynamiques

Les transmissivités locales ont été estimées à partir des essais de pompage effectués aprèsl’exécution de chaque sondage et des campagnes d’essais de pompages effectuées pourestimer les caractéristiques hydrodynamiques de la nappe phréatique à partir des puits desurface.



Figure 4.9 Carte de répartition spatiale des valeurs mesurées des transmissivités de la nappephréatique du bassin du MerguellilNous disposons pour la nappe phréatique d’une trentaine de mesures effectuées dans la régiond’Aïn Baïdha (Hamza, 1976) et de trois points dans la zone de Haffouz dont les mesures ontété effectuées au cours des années soixante (Besbes, 1967). En revanche, nous ne disposonsd’aucune mesure de transmissivité dans le secteur d’El Ala. En ce qui concerne la nappeprofonde, nous disposons d’une trentaine de valeurs de transmissivité répertoriées dans lescomptes rendus des forages.

Les transmissivités locales donnent une idée de la perméabilité de l’aquifère dans le voisinageimmédiat du puits. Nous avons ainsi localisé sur les limites des nappes les points pourlesquels nous disposons des valeurs de transmissivité (Figures 4.9 et 4.10). Les points d’eauvoisins disposant d’une valeur de transmissivité très proche ont été visualisés avec par uneseule valeur pour les représenter.

De manière générale, nous constatons que la nappe phréatique présente des valeurs detransmissivités faibles, de l’ordre de 10-4 m2/s. La Figure 4.9 montre que dans cette nappe lavariabilité de la transmissivité entre les points voisins ne dépasse pas un facteur de dix. Lesplus fortes valeurs s’observent dans la région de Haffouz avec des transmissivités variantentre 2.10-4 et 2.10-3 m²/s. La zone d’Aïn Baïdha est caractérisée par de très faibles valeurscomprises entre 7.10-5 et 8.10-4 m²/s.

Dans la nappe profonde (Figure 4.10) on constate que les grès oligocènes de Bouhafna sont



de loin les plus transmissifs avec une moyenne de 10-2 m2/s. Ailleurs les transmissivitéslocales sont de l’ordre de 10-3 m2/s sauf dans la partie Centre-Est de la cuvette d’Aïn Baïdhaoù elles vont jusqu’à 2.10-2 m2/s. La Figure 4.10 montre une très forte variabilité spatiale,entre les points proches, qui peut atteindre un facteur de 50. C’est le cas des points situés à lafrontière entre les aquifères des grès oligocènes de Bouhafna et Cherichira d’une part et celuidu Mioplioquaternaire de Haffouz d’autre part suite vraisemblablement au changement defaciès. Nous constatons le même phénomène dans la zone d’Aïn Baïdha où plusieursaquifères en contact sont captés. Le Centre-Est d’Aïn Baïdha est caractérisé par des valeursplus importantes de transmissivité suite à des profondeurs importantes atteintes par lescouches aquifères.

Figure 4.10 Carte de répartition spatiale des valeurs mesurées des transmissivités de la nappeprofonde du bassin du MerguellilLa nappe phréatique présente une distribution des transmissivités penchée vers les faiblesvaleurs (Figure 4.11a) alors que celle de la nappe profonde semble être plutôt uniforme(Figure 4.11b).



Figure 4.11 Distributions des transmissivités pour les nappes (a) phréatique et (b) profondeLes valeurs des coefficients d’emmagasinement ont été récoltées des comptes-rendus desessais de pompage de longue durée effectués sur quelques points d’eau. Ces essais ontessentiellement été exécutés dans les forages et concernent la nappe profonde. Nous avonsaussi considéré les valeurs utilisées par les modélisations antérieures des nappes de ce bassin(Baba Sy, 1999 ; Gribaa, 1997).

Les valeurs des coefficients d’emmagasinement récoltées sont comprises entre 10-3 et 10-5. Atitre d’exemple la Figure 4.12 illustre les valeurs de coefficients d’emmagasinementenregistrées dans les zones de Bouhafna et d’Aïn Baïdha.

Figure 4.12 Carte de répartition spatiale des valeurs mesurées des coefficientsd’emmagasinement de la nappe profonde du bassin du Merguellil



Pour la nappe phréatique, les valeurs de la porosité efficace ont été affectées en considérantl’étude de Baba Sy (1999) dans la nappe d’Aïn Baïdha et celle de Gribaa (1997) dans la nappemioplioquaternaire de Haffouz. Ces études ont proposé des valeurs de porosités efficacescomprises entre 0.05 et 0.3.

4-2-2-2- Piézométrie des nappes

La piézométrie à chaque point a été calculée en partant des données contenues dans la basedes points d’eau (altitude, niveau statique et hauteur de la margelle). Les altitudes sontmentionnées par les agents de la DGRE dans les comptes-rendus des forages et sont calculéespar une simple interpolation linéaire sur les cartes topographiques. Mis à part les puits utiliséscomme piézomètres dont le nivellement a été effectué par Amri (2000), les enquêtesconsultées ne mentionnent aucune valeur d’altitude pour les puits de surface. Ainsi les pointspour lesquels nous ne disposions pas d’altitude du terrain naturel, leur altitude a été estimée àpartir du Modèle Numérique de Terrain du bassin du Merguellil présenté dans le chapitreprécédent. Utilisant ces altitudes (TN), les niveaux statiques (NS) et les éventuelles margellesdes points d’eau (M), le niveau piézométrique (NP) a été calculé à chaque point pour lequelces mesures étaient disponibles par l’équation 3.1.

)( MNSTNNP −−= (3.1)

Figure 4.13 Carte piézométrique de la nappe phréatique du bassin du Merguellil (1970)

L’interpolation spatiale par la méthode de Krigeage a permis ensuite de calculer les cartespiézométriques des nappes du bassin du Merguellil (Figures 4.13 et 4.14). La carte



piézométrique de la nappe phréatique montre qu’elle s’écoule dans la région d’El Ala du sudvers nord (Figure 4.13) où elle est drainée par l’oued Zebbes qui constitue son exutoirenaturel. Dans la région de Haffouz, la nappe phréatique s’écoule vers l’oued Merguellil(Ouest et Sud-Ouest) par lequel elle est drainée. Il en est de même dans la région d’AïnBaïdha où une partie des flux de la nappe s’écoule vers l’oued Merguellil (Nord et Nord-Est)et une autre vers l’oued Zeroud qui constitue l’exutoire méridional de l’ensemble du système(Figure 4.13).

La carte piézométrique de la nappe profonde montre les mêmes sens d’écoulement que lanappe phréatique dans la région d’Aïn Baïdha. Dans la partie nord cette carte montre que lesflux de la nappe profonde provenant de l’Oligocène de Bouhafna alimente la partie sud del’aquifère Miopliocène de Haffouz. La piézométrie dans la partie Nord de Haffouz montrequ’elle est alimentée par les flux provenant du djebel Ouesslat. Les écoulements de la nappeprofonde convergent vers les sources de Cherichira, les sources du Zeroud et le seuil d’ElHaouareb qui constituent ses exutoires naturels (Figure 4.14).

Figure 4.14 Carte piézométrique de la nappe profonde du bassin du Merguellil (1970)

4-2-2-3- Zones d’alimentation et d’exutoire naturel des nappes

Les zones d’alimentation et d’exutoire naturel des nappes ont été proposées en partant des



cartes piézométriques présentées ci-dessus (Figure 4.13 ; Figure 4.14). D’autre part, nousavons tenu compte des études antérieures (Baba Sy, 1999 ; Gribaa, 1997) qui ont émis deshypothèses quant au fonctionnement des nappes du bassin du Merguellil.

Ainsi l’alimentation des nappes se fait par infiltration directe de la pluie aux niveaux desaffleurements et par infiltration du ruissellement aux niveaux des piedmonts des principauxreliefs. La nappe profonde s’alimente au niveau des affleurement oligocènes de Bouhafna etCherichira, ainsi qu’au niveau des djebels Trozza, Touila, et Ouesslat (Figure 4.8). Unealimentation de la nappe profonde par les débits de l’oued Merguellil, lors de son passage surles affleurements oligocènes de Bouhafna, a été proposée par Gribaa (1997). Pour ce qui estde la nappe phréatique, elle est alimentée par une infiltration directe de la pluie et parl’infiltration du ruissellement au niveau des djebels Ouesslat et Trozza.

La nappe phréatique a pour exutoires naturels les différents oueds (Merguellil, Zeroud,Zebbes et Ben Zitoune) qui la drainent. Alors que la nappe profonde a pour exutoires lessources d’Iktifet El Omrane, les sources de Cherichira, les sources du Zeroud ainsi que lanappe de la plaine de Kairouan alimentée à travers le seuil d’El Haouareb.

Les estimations des écoulements à travers le seuil d’El Haouareb, qui rejoignent directementla nappe de la plaine de Kairouan, ont été faites par différents auteurs. Dans les différentesétudes de modélisation de la nappe de la plaine de Kairouan (Besbes, 1978, Cheib, 1988 etNazoumou, 2002) un flux équivalant à environ 120 l/s a été imposé comme condition auxlimites dans cette zone. Baba Sy (1999) est parvenu à un chiffre de 90 l/s, dans son modèle denappe amont d’Aïn Baïdha qui communique à travers ce seuil avec la nappe aval de la plainede Kairouan.

4-2-2-4- Evolution temporelle des prélèvements dans les nappes

Les prélèvements sont calculés pour la nappe phréatique à partir des estimations effectuéesdans les annuaires quinquennaux d’exploitation des nappes phréatiques (DGRE, 1985-2000).Ils sont entachés d’une grande incertitude étant donné qu’ils ne constituent qu’une estimationapproximative, effectuée tous les cinq ans, des quantités pompées à partir des campagnes surle terrain. En ce qui concerne la nappe profonde les mesures des prélèvements sont effectuéespar la SONEDE, la DGRE ou les particuliers. Elles sont annuellement répertoriées dans lesannuaires d’exploitation des nappes profondes (DGRE, 1973-2000). Ces prélèvements sontbeaucoup plus fiables étant donné que chaque ouvrage est muni d’un compteur.

Les prélèvements dans la nappe phréatique sont surtout destinés à l’irrigation etessentiellement effectués par de petits exploitants agricoles. Ceux de la nappe profonde sonteffectués par divers acteurs : la SONEDE est le plus grand exploitant pour alimenterl’industrie touristique du Sahel, la DGRE possède aussi quelques forages pour l’alimentationen eau potable des populations avoisinantes et enfin les grands exploitants agricoles pourl’irrigation des cultures. L’irrigation se fait aussi par les eaux de surface notamment les



prélèvements par des motopompes implantées le long de l’oued Merguellil (Tchabore, 2001)surtout durant les basses eaux.

Figure 4.15 Evolution chronologique des prélèvements dans la nappe phréatique du bassin duMerguellil (DGRE, 1985-2000)L’évolution des prélèvements de la nappe phréatique montre qu’ils sont passés de 30 l/s en1970 à 170 l/s en 2000. Ainsi, l’exploitation de cette nappe a été multipliée par six en trenteans (Figure 4.15).

La région de Haffouz est la plus sollicitée avec plus de la moitié des prélèvements sur toutl’historique. Dans cette région, caractérisée par une importante concentration de puits desurface par rapport au reste de la nappe (Figure 4.8), l’exploitation a atteint près de 100 l/s en2000. La région d’Aïn Baïdha a aussi connu un important accroissement car les prélèvementsqui étaient presque nuls au début des années 1970 ont été estimés à environ 70 l/s en 2000.

Figure 4.16 Evolution chronologique des prélèvements dans la nappe profonde du bassin duMerguellil



L’exploitation de la nappe profonde est passée de 300 l/s en 1970 à près de 500 l/s en 2000.Sur tout l’historique, les plus fortes exploitations ont été effectuées vers le début des années1980 avec un taux de près de 800 l/s, dans le cadre d’une politique de la SONEDE desurexploiter les eaux de cette nappe. La région de Bouhafna est de loin la plus sollicitée avecun flux dont le taux est 4 fois supérieur aux autres régions (Figure 4.16).

4-2-2-5- Evolution temporelle du niveau piézométrique

L’évolution dans le temps du niveau piézométrique de la nappe phréatique est observée enutilisant un réseau de 13 puits (Figure 4.17a). La plupart se trouve dans la zone d’Aïn Baïdhaoù nous recensons huit points (Bir Snoussi, Bir Belgacem Ben Ali, Bir Bellouma, BirChoubet El Aried, Bir Djellel, Bir Bou Alleg, Bir Tria Ben Fredj, et Bir Aïn Majouna), lazone de Haffouz en possède quatre (Bir El Adhine, Bir pépinière Haffouz 2, Bir Hir El Assel,et Bir Ouled Bourguiba) et un point dans la zone d’El Ala (Bir Pépinière El Ala).

Figure 4.17 Localisation géographique des points d’eau pour lesquels nous disposons d’unechronologie des mesures piézométriques pour les nappes (a) phréatique et (b) profonde.

Les mesures sur ces différents points sont le plus souvent incomplètes, c’est le cas pour le BirPépinière El Ala où les mesures disponibles ne couvrent que les trois premières années(Figure 4.18b). Si on regarde les piézomètres disposant de plus de données (Bir Djellel(Figure 4.18e) dans la zone d’Aïn Baïdha et Bir El Adhine (Figure 4.18c) dans la zone deHaffouz), on constate que les niveaux piézométriques fluctuent quelle que soit la zone enfonction de la pluviométrie annuelle. Ces piézomètres montrent une certaine baisse du niveaupiézométrique de la nappe phréatique depuis les années 1970 jusqu’en 1990, date à laquelle ily a eu une certaine remontée suite à la pluviométrie exceptionnelle de cette période(Kingumbi et al., 2001 ; Kingumbi et al., 2005a). Elle met aussi en exergue une baisse des



prélèvements dans la région d’Aïn Baïdha concomitante avec cette hausse des pluies (Figures4.18a, 4.18d et 4.18e).

Figure 4.18 Evolution chronologique du niveau piézométrique de la nappe phréatique



Figure 4.19 Evolution chronologique du niveau piézométrique de la nappe profonde



Dans la région d’Aïn Baïdha, où les barrages d’El Haouareb et Sidi Saad, (mis en eaurespectivement en 1989 et 1981) sont en relation avec la nappe phréatique, nous assistons àune remontée piézométrique estimée due à ces ouvrages d’après Baba Sy et Besbes (2001).Ainsi le piézomètre Bir Choubet El Aried (Figure 17d) proche de Sidi Saad a amorcé uneremontée piézométrique depuis l’année 1981 tandis que celui de Bir Djellel (Figure 17e)proche d’El Haouareb a enregistré une remontée à partir de 1989.

Le suivi temporel du niveau piézométrique de la nappe profonde est effectué par plusieurspiézomètres. Nous en avons sélectionné 13 qui couvre l’ensemble de la nappe (Figure 4.17b) :un dans la zone de Cherichira (Cherichira 3), deux dans la zone de Haffouz (Haffouz Cassis etArgoub Hajel), quatre dans la zone d’Aïn Baïdha (Merguellil, Sidi Ali Cheib, Idmen El Hassiet Chouicha) et six dans la zone de Bouhafna (KT2, KT4, KT5, PL1, PL2 et PC2). Trois deces piézomètres ont été combinés avec leurs voisins en vue d’avoir un historiquepiézométrique plus long. Il s’agit de KT2 et KT2bis, PC2 et PC2bis, ainsi que PL2 et PL2bis.

Comme nous pouvons le constater sur la Figure 4.19, dans les zones de Bouhafna (PL1) etCherichira (Cherichira 3) il y a eu une baisse continue du niveau piézométrique depuis lesannées 1970. Cette baisse d’une trentaine de mètres en trente ans est due à une exploitationintensive de la nappe profonde dans la zone de Bouhafna (Figure 4.19a).

Malgré une certaine baisse des prélèvements dans la zone de Cherichira, le niveaupiézométrique continue à baisser inexorablement (Figure 4.19c). Cette constatation peuts’expliquer par le fait que la nappe profonde n’est pas suffisamment alimentée dans cetterégion et que les pompages, si minimes soient-ils, affectent les réserves de la nappe. Enrevanche la zone d’Aïn Baïdha est moins touchée par le phénomène puisque le niveaupiézométrique de la nappe profonde dans cette zone est resté presque constant (Figure 4.19d).

4-3- Minéralisation des eaux souterraines du bassin du MerguellilPour caractériser la nature chimique des eaux des nappes du bassin du Merguellil nous avonsrassemblé une basé de données d’environ 130 analyses : 65 analyses pour la région deBouhafna (1966-2002), 20 pour la région de Cherichira (1961-2002), 8 pour la région d’ElAla (1966) et 36 analyses pour la région de Haffouz (1966-2002). Par contre, nous nedisposons pas de données d’analyse chimique des eaux dans la région d’Aïn Baïdha.

Les données de ces analyses ont montré un résidu sec moyen de 0.6 g/l dans l’aquifèremioplioquaternaire de Haffouz, de 0.7 g/l dans les grès oligocènes de Bouhafna et Cherichira,et de 1.2 g/l dans l’aquifère mioplioquaternaire d’El Ala. Par ailleurs, Baba Sy (1999) aestimé à 1.5 g/l le résidu sec moyen des eaux dans la région d’Aïn Baïdha.

Dans la nappe d’Aïn Baïdha, les concentrations des eaux augmentent de l’amont vers l’aval(Hamza, 1976). En effet la minéralisation des eaux est plus importante dans les alluvions desoueds à l’aval qu’au niveau des piedmonts des principaux reliefs de cette région quiconstituent les zones d’alimentation de la nappe.



Figure 4.20 Diagramme de Piper établi pour les eaux souterraines du bassin du Merguellil,dans les zones de Bouhafna, Cherichira, El Ala et Haffouz.L’identification du faciès hydro-chimique des différentes nappes a été faite à l’aide dudiagramme de Piper (Figure 4.20). Les eaux de la nappe oligocène de Bouhafna ont un facièsplutôt sulfaté calcique, alors que celles de la nappe oligocène de Cherichira ont un facièsbicarbonato-chloruré sodique. Les eaux du Mioplioquaternaire de Haffouz sont en relationavec les nappes de Haffouz et Cherichira, on retrouve donc un nuage très dispersé avec despoints d’eaux dont les faciès sont proches de l’une et de l’autre nappe. Cependant, le gros despoints d’eau de la nappe de Haffouz ont un faciès bicarbonaté calcique résultant de lacommunication avec la nappe des calcaires éocènes du djebel Ouslatia. Pour la nappemioplioquaternaire d’El Ala, nous ne disposons que de quelques points dont le nuage est trèsdispersé. Les eaux de cette nappe ont un faciès bicarbonaté-sulfaté calcique. Hervieu (2000) amontré que, malgré un éparpillement du nuage des points, les eaux de la nappe d’Aïn Baïdhaont un faciès chloruré-sulfaté pour les anions et calcique-magnésien pour les cations.

4-4- ConclusionLe bassin de l’Oued Merguellil est situé dans une région semi-aride dans laquelle lesressources souterraines jouent un rôle capital. L’étude de ses ressources a commencé par unedescription détaillée des principaux affleurements prévalant dans ce bassin. Une attentionparticulière a été portée à ses formations aquifères. Ainsi leur communication a été établie ense basant sur les différentes corrélations litho-stratigraphiques. Ensuite le système a étédélimité en nappes phréatique et profonde dont les extensions spatiales ont été définies à



partir des affleurements des principaux aquifères, l’orographie de la zone d’étude et lesouvrages de captage (puits et forages) implantés dans ces nappes.

Une esquisse du fonctionnement de ces nappes a été effectuée, en définissant les zonesd’alimentation et d’exutoire de celles-ci à partir des cartes piézométriques. Par ailleurs, lesparamètres définissant l’hydrodynamique des nappes ont été décrits. C’est ainsi que tous lespoints pour lesquels nous disposions des mesures de transmissivité et du coefficientd’emmagasinement ont été pris en compte. Une forte disparité des transmissivités a étéconstatée entre les différentes régions du système. Il a été aussi remarqué que la nappephréatique possède une transmissivité en moyenne dix fois moins importante par rapport à lanappe profonde dont les transmissivités varient entre 3.10-2 et 2.10-4 m2/s. La porosité efficacede la nappe phréatique est comprise entre 0.1 et 0.3 alors que les coefficientsd’emmagasinement de la nappe profonde sont compris entre 10-3 et 10-5.

Les prélèvements dans les nappes n’ont cessé d’augmenter depuis le début des années 1970.Ainsi on a assisté à un doublement des pompages dans la nappe profonde entre 1970 et 2000alors que la nappe phréatique a vu ses prélèvements multipliés par six sur la même période.Pour ce qui est de la nappe phréatique, la zone de Haffouz est la plus exploitée avec un tauxd’une centaine de litres par seconde. La zone de Bouhafna est de loin la plus exploitée pour lanappe profonde avec un débit moyen de 400 l/s (sur toute la période) quatre fois supérieur àcelui d’autres zones (100 l/s).

Les fluctuations temporelles du niveau piézométrique de la nappe phréatique dépendent de lapluviométrie et des grands barrages implantés sur ce bassin, alors que celles de la nappeprofonde dépendent des pompages. C’est ainsi que le niveau piézométrique dans la zone deBouhafna a baissé d’une trentaine de mètres sur 30 ans. Une baisse de même envergure a étéconstatée dans la zone de Cherichira dont l’origine serait la faiblesse des ressources étantdonné qu’il n’y a pas eu d’augmentation temporelle des prélèvements dans cette zone.

Ces différentes données, disponibles dans un système d’information géographique, serontutilisées plus tard dans la modélisation des écoulements du bassin du Merguellil.

5. Evolution des séries pluviométriques de lazone d’étude

Les apports de l’oued Merguellil ont connu une baisse assez significative dans les années1990 (Tableau 5.1). Sans tenir compte de l’année exceptionnelle 1969/1970, les apportsmoyens interannuels aux stations de Haffouz et Sidi Boujdaria ont été estimés respectivementà 16.7 millions de m3 (sur la période 1966-1982) et à 32 millions de m3 (sur la période 1974-1982) (Bouzaiane et Laforgue, 1986). Dans une étude effectuée sur la période après la mise enplace du barrage d’El Haouareb (Kingumbi, 1999 ; Kingumbi et al., 2004), le volumed’apports moyens interannuels à ce barrage a été évalué à 23 millions de m3 (sur la période1989-1998).

Tableau 5.1 Comparaison des apports de l’oued Merguellil aux stations hydrométriquesStation hydrométrique Superficie (km²) Période Apports (106 m3)Sidi Boujdaria 890 1974-1982 32.0

El Haouareb 1200 1989-1998 23.0

La comparaison entre les apports aux différentes stations hydrométriques (Figure 5.1),Haffouz (675 km²), Sidi Boujdaria (890 km²) et El Haouareb (1200 km²), montre que lemodule moyen de cet oued a considérablement baissé durant la décennie 1990.

Figure 5.1 Répartition spatiale des stations pluviométriques utilisées

Deux facteurs peuvent avoir contribué à la baisse de la réponse de ce bassin ; d’une part la

Chapitre V : Evolution des séries pluviométriques de la zone d étude


diminution des précipitations qui peut être une conséquence de la variabilité ou deschangements climatiques, et d’autre part le facteur anthropique qui se manifeste parl’implantation d’aménagements hydrauliques divers et un accroissement des surfacescultivées.

Ce chapitre s’intéressera au premier facteur (la chute des précipitations) pouvantéventuellement être à l’origine de cette baisse des apports du bassin du Merguellil. Nouscommencerons par une description des données et méthodes utilisées, ensuite nous étudieronsla variabilité pluviométrique à l’échelle locale et terminerons par la variabilité pluviométriqueà l’échelle spatiale.

5-1- Données utilisées

En plus des stations décrites dans le chapitre 2, nous avons rajouté deux stationspluviométriques un peu plus éloignées du bassin versant du Merguellil mais dont l’importancerégionale est reconnue, il s’agit des stations de Kairouan et de Sidi Hamada (Figure 5.1). Cequi ramène à 25 le nombre de stations utilisées dans cette étude.

Deux approches méthodologiques ont été développées : une approche basée sur l’étude desséries individuelles (locale) et celle basée sur des séries spatiales.

5-1-1- Approche locale

5-1-1-1- Définition des variables utilisées

Dans cette approche, nous avons sélectionné huit stations pluviométriques (Kairouan, SidiSaad, Haffouz, El Ala, Skhira, Kesra, Ouslatia et Sidi Hamada) pour la longueur et la qualitéde leurs données (Tableau 5.2). Leurs mesures couvrent une durée d’au moins trente années àl’exception de la station de Skhira dont les observations ont une période de vingt cinq années.En vue de comparer l’évolution pluviométrique de la Tunisie centrale à celle d’autres régionsdu pays, deux autres stations ont été choisies, l’une au nord (Tunis) et l’autre au sud (Gafsa)de la Tunisie (Figure 5.1 et Tableau 5.2).

Tableau 5.2 Caractéristiques des stations pluviométriques utilisées dans l’approche localeVariable \ Station Kairouan Sidi Saad Haffouz El Ala Skhira Ouslatia Kesra Sidi Hamada Tunis Gafsa

Latitude 35°40’33” 35°23’36” 35°37’30” 35°36’56” 35°44’23” 35°50’27” 35°49’34” 35°57’37” 36°47’04” 34°25’30”

Longitude 10°06’15” 9°41’47” 9°40’30” 9°33’29” 9°23’03” 9°36’43” 9°21’26” 9°12’59” 10°10’15” 8°47’49”

Début 1960 1956 1968 1969 1974 1962 1966 1960 1901 1961

Fin 1998 1996 1999 1998 1999 1999 1996 1991 1998 1998

Moyenne (mm) 314 256 338 350 329 400 423 525 451 177

Médiane (mm) 295 228 317 312 303 387 398 470 451 174

Ecart type (mm) 118 132 147 184 102 139 138 298 124 70

Coeff. de variation 0.38 0.51 0.43 0.52 0.3 0.35 0.33 0.57 0.27 0.40



L’étude a commencé par l’utilisation de la variable centrée réduite sur des séries individuellespour cerner l’évolution de la pluviométrie annuelle par rapport à la moyenne sur la périodeconcernée par les mesures à chaque station. Ensuite une quinzaine de variables ont étécalculées (Tableau 5.3), à partir de la pluie journalière, sur lesquelles les tests statistiques dedétection de rupture de la stationnarité ont été effectués. Ces variables sont la pluie annuelle,les pluies saisonnières et leurs contributions dans le total annuel, le nombre de jours de pluiesupérieure à certains seuils choisis (0, 5, 10 et 30 mm), ainsi que le cumul des pluiesjournalières supérieures à 30 mm et sa contribution dans le total annuel.

Tableau 5.3 Variables utilisées dans l’approche localeNuméro Variable Désignation

1 Pluie annuelle (mm) PA

2 Cumul des pluies journalières de la saison d’automne (mm) PAT

3 Contribution de l’automne à la pluie annuelle (%) CAPA

4 Cumul des pluies journalières de la saison hivernale (mm) PHV

5 Contribution de l’hiver à la pluie annuelle (%) CHPA

6 Cumul des pluies journalières de la saison printanière (mm) PP

7 Contribution du printemps à la pluie annuelle (%) CPPA

8 Cumul des pluies journalières de la saison estivale (mm) PE

9 Contribution de l’été à la pluie annuelle (%) CEPA

10 Nombre de jours de pluie (pluie journalière supérieure à 0 mm) NJP1




14 Cumul des pluies journalières supérieures à 30 mm (mm) CPJ

15 Contribution du CPJ dans le total annuel (%) CCPJ

5-1-1-2- Persistance temporelle des classes de pluie

Les trois méthodes, présentées plus haut, sont surtout adaptées à la recherche de changementséventuels de la moyenne des séries chronologiques. Elles n’évaluent pas les persistancesspatiale et temporelle des phénomènes qui ont une influence non négligeable sur le cycle del’eau (Bardossy, 1994). En partant des périodes de changement détectées, une étude de lapersistance temporelle d’un certain nombre de classes de pluies (0-5 mm, 5-10 mm, 10-30mm et pluie supérieure à 30 mm) a été effectuée. Les distributions statistiques de ces classesde pluies ont été ainsi comparées sur plusieurs périodes.

5-1-2- Approche spatiale

Dans cette approche, l'information provenant de vingt cinq stations pluviométriques a étéutilisée pour étudier la persistance spatiale des fortes pluies (supérieures à 30 mm/jour). Lesévénements de fortes pluies ont été sélectionnés sur le critère suivant : sur chaque poste, lesjours dans lesquels la pluie est supérieure à 30 mm ont été choisis. Pour chacun de ces jours,les pluies journalières enregistrées dans les autres stations ont été considérées. Nous avonsensuite utilisé le Krigeage comme un outil d'interpolation pour aboutir à une carte



pluviométrique de chaque jour sélectionné sur laquelle nous avons considéré cinq classes depluie spatiale : 0-5 mm, 5-10 mm, 10-20 mm, 20-30 mm et supérieure à 30 mm (Figure 5.2).La superficie associée à chaque classe a été alors estimée dans l'espace couvert par le bassindu Merguellil.

Figure 5.2 Surfaces du bassin du Merguellil couvertes par les différentes classes de pluiedans l'épisode du 29 Mars 1977

Figure 5.3 Comparaison des surfaces des classes de pluie calculées avec 9 et 25 stationspluviométriques durant l’année hydrologique 1989/90 sur le bassin du Merguellil

Dans cette méthode, l’effet de l'interpolation spatiale sur les bords du système a été négligé àcause de l'utilisation seulement de la région limitée par le bassin du Merguellil. Par ailleurs,



au début de la période d'étude (1966) le réseau était composé par seulement 9 stationspluviométriques mais avec une distribution spatiale qui couvrent assez bien le bassin étudié(Figure 5.2). En fait, nous avons fait une hypothèse selon laquelle les différentesconfigurations du réseau n'avaient pas beaucoup d’influence sur les cartes résultants del’interpolation.

Pour vérifier cette supposition nous avons fait la comparaison des surfaces des classes despluies calculées avec les deux réseaux de 9 et 25 stations durant l’année hydrologique1989/90 qui présente le plus grand nombre d'événements à fortes pluies (26). Cettecomparaison, illustrée à la Figure 5.3, montre que le réseau minimum apporte une informationfiable, étant donnée que nous aboutissons à un coefficient de corrélation linéaire de 0.8 entreles surfaces des classes calculées par les deux réseaux de 9 et 25 stations pluviométriques.Mais il y a parfois d’importantes différences entre les surfaces calculées à l’aide des deuxréseaux.

D’autre part, en considérant seulement le réseau minimal (9 stations), 6 événements n'auraientpas été détectés dans l’année considérée du fait que pour ces événements, toutes les 9 stationsprimitives ont enregistré des pluies inférieures à 30 mm. Nous constatons donc que laprécision de l’évaluation des surfaces des classes des pluies est meilleure quand le réseaucomporte un nombre important de postes. Par conséquent l’imprécision dans l’estimation dela surface couverte par une isohyète donnée peut provenir d’une faible densité du réseaupluviométrique. Cette imprécision, qu’il est difficile de cerner, peut influencer le calcul dessurfaces couvertes par les gros évènements de deux manières : les surfaces peuvent être sous-estimées ou surestimées.

Une fois la superficie associée à chaque classe déterminée pour chacun des 432 évènementssélectionnés sur 32 ans (1966-1998), nous avons étudié la somme des surfaces associées à laclasse des pluies supérieures à 30 mm à une échelle annuelle par les trois méthodesstatistiques de détection de changement.

5-2- Méthodes statistiques utilisées

Les séries issues des deux approches (locales et spatiales) ont été analysées à l’aide de troisméthodes de détection de ruptures de la moyenne dans les séries temporelles : le Pettitt(1979), la procédure de segmentation des séries hydropluviométriques de Hubert et Carbonnel(1987) et la procédure bayésienne de Lee et Heghinian (1977). Ces méthodes ont été au départprogrammées dans un environnement Pascal. Les résultats de ce programme ont été confirmésen utilisant le programme KhronoStat développé à la Maison des Sciences de l’Eau (MSE) deMontpellier (Lubès et al., 1994).



5-2-1- Test de Pettitt

Le test de Pettitt a été décrit par plusieurs auteurs (Pettitt, 1979 ; Lubes et al., 1994 ; Lubes-Niel et al., 1998). Soit une séquence de variables aléatoires indépendantes x1, x2, …, xN. Ellecontient une rupture à l’instant t si les séries x1, x2, …, xt et xt+1, xt+2, …, xN ont desdistributions différentes. L’hypothèse nulle (H0 de non rupture) est testée au moyen d’un testnon paramétrique. Ce test suppose que pour tout instant t variant de 1 à N, les deux sériesdéfinies ci-dessus appartiennent à la même population. On considère la variable Ut,N (éq. 5.1)telle que :

∑ ∑= +=

=t

i

N

tjijNt DU

1 1,

(5.1)

Avec Dij = Sgn(xi - xj) où Sgn(x) = 1 si x > 0, Sgn(x) = 0 si x = 0 et Sgn(x) = -1 si x < 0.

Pour tester l’hypothèse nulle H0, Pettitt a proposé d’utiliser la variable KN, définie par lemaximum en valeur absolue de la variable NtU , (éq. 5.1) pour t variant de 1 à N-1. Si k

désigne la valeur de KN prise sur la série étudiée, sous H0, la probabilité de dépassementapproximative de la valeur de k : Prob(KN > k) est donnée par l’équation 5.2.

)exp(2)(Pr 2326

NN

kN kKob

+

−≈> (5.2)

Pour un risque α de première espèce, H0 est rejetée si cette probabilité (éq. 5.2) est inférieureà α . Dans ce cas la série présente une rupture au temps t définissant KN.

L’utilisation de ce test a été motivée par plusieurs raisons notamment son application dansplusieurs études de changements de la stationnarité, sa puissance surtout en ce qui concerne letest de rupture de moyenne (Lubes-Niel et al., 1998) et sa robustesse (Lubes et al., 1994).

5-2-2- Procédure de segmentation des séries hydrométéorologiques

La procédure de segmentation des séries hydrométéorologiques a été présentée parHubert et Carbonnel (1987). Elle a ensuite été complétée par un test par Hubert et al. (1989).Elle a pour principe le découpage d’une série en m segments de telle sorte que la moyennecalculée sur tout segment soit nettement différente de la moyenne du (des) segment (s) voisin(s). Cette méthode présente l’avantage de permettre de rechercher de multiples changementsde moyenne dans une série hydrométéorologique.

Soit une série chronologique de N valeurs : x1, x2, …, xN. Toute série xi, i = i1, i2 avec 11 ≥i ,

Ni ≤2 et 21 ii p , constitue une segmentation de la série initiale. Toute partition de la sérieinitiale en m segments constitue une segmentation d’ordre m de cette série.



Soit une segmentation particulière d’ordre m pratiquée sur une série proposée et soit ik (k = 1,2, …, m) le rang dans la série initiale de l’extrémité terminale du kième segment. On a, enposant i0 = 0, i0 < i1 < … < ik < … < im-1 < im = N. On note nk = ik - ik-1 la longueur du kième

segment et kx sa moyenne. L’écart quadratique Dm (éq. 5.3) entre la série et la segmentation

est définie comme suit :

∑ ∑∑=

= +=

=

= −

−==⋅⋅⋅=mk

k

i

iiki

mk

kkmm

k

k

xxdiiiDD1 1

2

1,21

1

)(),,( (5.3)

La segmentation retenue est telle que l’écart quadratique entre la série et cette dernière soitminimum. Cette condition est nécessaire mais pas suffisante pour la détermination de lasegmentation optimale. Il faut lui adjoindre, par l’application du test de Scheffé, la conditionselon laquelle les moyennes des deux segments contigus soient significativement différentes.

Cette procédure est considérée comme un test de stationnarité. « La série étudiée eststationnaire » constitue l’hypothèse nulle (H0) de ce test. Elle a été utilisée dans plusieursétudes de changements climatiques notamment pour des séries de Roumanie (Carbonnel etHubert, 1994) et de Tunisie centrale (Kebaili-Bargaoui, 1990). En Afrique de l’Ouest où ellea été appliquée aux séries des précipitations et des débits (Hubert et al., 1989). La puissancede cette procédure a été confirmée surtout au niveau de signification de 0.01 du test deScheffé (Lubès-Niel et al., 1998). Elle s’est révélée particulièrement robuste en confirmant lesdiscontinuités détectées initialement après l’allongement de dix ans des séries étudiées enAfrique de l’Ouest (Hubert et al., 1998).

5-2-3- Méthode bayésienne de Lee et Heghinian

L’approche bayésienne de Lee et Heghinian (1977) est utilisée pour étudier unchangement de moyenne sous la forme d’un saut dans une série temporelle. Elle est différented’un test statistique classique, elle est paramétrique et exige une distribution normale desvariables étudiées.

Soit une série chronologique x1, x2, …, xN supposée contenir une rupture de moyenne par sautà l’instant τ . Elle peut être décrite de la façon suivante (éq. 5.4) :

=

⋅⋅⋅=+

⋅⋅⋅+=++

τεµ

τεδµ

,,1,,1

iNii

i

ix (5.4)

Avec τ et δ définis comme étant respectivement la position de la rupture dans letemps et l’amplitude du changement sur la moyenne (saut de moyenne). Les iε sont

indépendants, normalement distribués, de moyenne nulle et de variance 2δ .



L’approche bayésienne de Lee et Heghinian se base sur les distributions marginales aposteriori de τ et δ . Si p la densité de probabilité a priori de τ est uniforme, a posteriori elleest définie par )( xp τ (éq. 5.5).

( )[ ] 2)2(2

1

)()(−−

∞

−

N

Rxp NN ττ

ττ (5.5)

Avec 10 −≤≤ Nτ ,

( ) ∑∑∑=+=

−=

−

−+−=

N

iNi

N

iNi

ii xxxxxxR

1

2

1

2

1

2 )()()(τ

τ

τ

ττ ,

∑=

=N

iiN xNx

11 , ∑

==

τ

τ τ1

1i

ixx et ∑+=

− −=N

iiN xNx

1)(1

ττ τ .

La distribution a posteriori de δ ( )( xp δ ) est définie par la distribution a posteriori de τ

( )( xp τ ) et de la distribution conditionnelle a posteriori de δ par rapport à τ ( ),( xp τδ ) (éq.

5.6).

∑−

==

1

1)(),p()(

Nxpxxp

τττδδ (5.6)

Cette distribution est une distribution de Student de moyenne τττδ xxN −= − et de variance

[ ])()2()(2 τττσ τδ −−= NNNH avec 2−= Nv degrés de liberté.

L’approche bayésienne est utilisée pour la recherche de changement de la moyenne dans lesséquences des variables aléatoires indépendantes. Elle suppose qu’un changement demoyenne existe dans une série chronologique, puis elle estime la date probable de cechangement ainsi que l’ampleur du changement intervenu. Comme les deux précédentes, cetteméthode a également été utilisées dans plusieurs études, notamment dans Lubès-Niel et al.(1998), Ouarda et al. (1999), Aka Akpa (2000), etc.

5-3- Variabilité pluviométrique à l’échelle locale

5-3-1- Evolution des pluies annuelles des huit stations sélectionnées

Pour étudier l'évolution de la pluie annuelle en comparaison avec la moyenne interannuelle,les pluies annuelles ont été centrées et réduites (Figure 5.4 ; Figure 5.5). De cette étude, troispériodes se sont dégagées. La première est en rapport avec les années antérieures à 1976 etcorrespond à une succession d'années sèches et humides. La deuxième période, de 1976 à1989, est caractérisée par les années sèches. La période après 1989 est caractérisée par uncertain rehaussement pluviométrique.



Figure 5.4 Indices d’Anomalies calculés sur les séries des pluies annuelles des stationspluviométriques de Sidi Saad, Sidi Hamada, Kairouan et Ouslatia.

Figure 5.5 Indices d’Anomalies calculés sur les séries des pluies annuelles des stationspluviométriques de Haffouz, Kesra, Skhira et El Ala.

Dans les chronologies étudiées, deux années se distinguent par l'importance de leurs pluiesannuelles : les années 1969-1970 et 1989-1990. Particulièrement l’année 1969-1970, avec unindice supérieur à 3, est considérée comme exceptionnelle dans l’histoire pluviométrique de la



Tunisie centrale.

Il est à noter aussi que la période entre 1976 et 1989 est caractérisée par une faible variance,alors que les périodes antérieure et postérieure ont un écart type plus important (Tableau 5.4).Il a été montré que la sécheresse est un phénomène très périodique et que la persistance desannées sèches est très importante en Tunisie centrale (Bergaoui et Alouini, 2001 ; Benzarti etHabaieb, 2001).

Tableau 5.4 Ecart type des pluies annuelles (mm) des stations à différentes périodesStation

Période El Ala Haffouz Kairouan Kesra Ouslatia Sidi Hamada Sidi Saad Skhira

Avant 1976 280 206 131 183 167 390 147 -

1976-1989 70 54 64 61 56 88 37 36

Après 1989 172 159 127 158 146 - 136 122

5-3-2- Application des méthodes de détection des ruptures

Les méthodes statistiques utilisées sont constituées d’un test statistique classique, d’uneméthode bayésienne et d’une technique de segmentation des séries temporelles. L’applicationde chacune de ces méthodes requiert un certain nombre de conditions.

Tableau 5.5 Etude du caractère aléatoire des variables calculées aux différentes stationsVariable El Ala Haffouz Kairouan Kesra Ouslatia Hamada Saad SkhiraPA Oui Oui Oui Oui Oui Oui Oui Oui

PAT Oui Oui Oui Oui Oui Oui Oui Oui

CAPA Oui Oui Oui Oui Oui Oui Oui Oui

PHV Oui Oui Oui Oui Oui Oui Oui Oui

CHPA Oui Oui Oui Oui Oui Oui Oui Oui

PP Oui Oui Oui Oui Oui Oui Oui Oui

CPPA Oui Oui Oui Oui Oui Oui Oui Oui

PE Oui Oui Oui Oui Oui Oui Oui Oui

CEPA Oui Oui Oui Oui Oui Oui Oui Oui

NJP1 Oui Oui Oui Non Oui Oui Oui Oui

NJP2 Oui Oui Oui Oui Oui Oui Oui Oui

NJP3 Oui Oui Oui Oui Oui Oui Oui Oui

NJP4 Oui Oui Oui Oui Oui Oui Oui Non

CPJ Oui Oui Oui Oui Oui Oui Oui Oui

CCPJ Oui Oui Oui Oui Oui Oui Oui Non

Le test statistique de Pettitt s’applique à des séries non autocorrélées et exigequ’implicitement la variance de la série ne soit pas affectée par un changement si une ruptureen moyenne est prioritairement recherchée. La méthode bayésienne de Lee et Heghinian exigeque les séries temporelles étudiées soient normalement distribuées, que leur variance soitconstante et qu’elles ne soient pas autocorrélées. En plus de la vérification du caractèrealéatoire, la procédure de segmentation utilisée requiert aussi qu’implicitement les sériesétudiées soient normalement distribuées.



L’étude du caractère aléatoire des variables calculées à partir des pluies journalières a été faiteà l’aide du Test de corrélation sur le rang (WMO, 1966) et de l’autocorrélogramme (WMO,1966). L’hypothèse nulle (la série est aléatoire) a été rejetée par le test de corrélation sur lerang dans seulement 5 variables (sur un total de 120 variables) au niveau de signification de5% (Tableau 5.5). A ce seuil, seulement 2 variables ont été jugées non aléatoires parl’autocorrélogramme.

La normalité des séries a été vérifiée et leurs transformations ont été éventuellement faitespour les rendre normales (Tableau 5.6). Ainsi sur un total de 120 variables, 39 ont étéreconnues normales, 55 ont subi des transformations logarithmiques (24), de racine carrée(10) et par la méthode de Box et Cox (21) pour les rendre normales.

Tableau 5.6 Etude du caractère normal des variables calculées aux différentes stations. Lestransformations logarithmique (Log), par racine carrée (RC) et par la méthode de Box et Cox(BC) adoptées pour chaque variable et qui ont permis de vérifier ce caractère

Variable El Ala Haffouz Kairouan Kesra Ouslatia Hamada Saad SkhiraPA Log Log RC RC Log BC Log RC

PAT Non Non Log Log Non Non Non Oui

CAPA BC BC Log Oui Log Log BC Log

PHV Oui BC Oui RC Log Oui BC Oui

CHPA Oui BC BC Log Log Log BC BC

PP RC BC Oui Log BC Log Oui Oui

CPPA Oui BC Oui Log Oui Oui Oui Oui

PE Oui Oui Oui Oui Oui Oui Oui Oui

CEPA BC BC Log Log Log Log BC BC

NJP1 Oui Oui Oui RC Oui RC Log RC

NJP2 Oui Oui RC Oui Oui Oui RC Oui

NJP3 Oui Log Oui Oui Oui Non Log Non

NJP4 Non Non Non Non Non Non Non Non

CPJ Non Non Non Non Non Non Non Non

CCPJ BC BC Non Oui BC BC Non Non

Il reste donc 26 variables dont les séries ne vérifient pas la normalité et dont aucunetransformation n’a permis de les rendre normales. Ces variables concernent particulièrementle cumul des pluies d’automne, le nombre de jour de pluies supérieures à 30 mm et leurcumul. La non vérification de la normalité dans les deux dernières variables est probablementdue à un nombre important d’années caractérisées par une absence de pluies supérieures à 30mm ce qui fait que ces variables prennent la valeur 0 pendant ces années. La robustesse de cesméthodes statistiques utilisées ayant été prouvées par divers auteurs (Lubès-Niel et al., 1998 ;Hubert et al., 1998), nous avons décidé d’appliquer ces méthodes à toutes les séries calculéesbien que 22% de ces séries ne vérifient pas le caractère normal.

5-3-2-1 Résultats du test de Pettitt (1979)

En considérant un risque de première espèce égal à 5%, on constate que seules deux ruptures



ont été calculées sur le nombre de jours de pluie. Elles ont été constatées à la station deKairouan en 1976 et à Sidi Saad en 1973. Ceci conduit à conclure que le test de Pettitt n’a pasdétecté de rupture de la stationnarité dans les séries chronologiques de la Tunisie centrale.

Nous avons voulu voir s’il y avait une certaine tendance vers le changement en considérant unrisque de première espère plus important (50%). Ceci a donné, pour les différentes variablesétudiées, des dates que nous avons représentées en fonction du nombre de ruptures détectées(Figure 5.6). Cette figure montre que le milieu des années 1970 constitue la période où uneplus forte tendance vers la rupture a été détectée. L’année 1976 constitue le pic de cettepériode avec 13 ruptures calculées dans les variables étudiées.

Figure 5.6 Dates calculées par le test de Pettitt en fonction du nombre de ruptures obtenuesavec un risque de première espèce égal à 50%

La fin des années 1980 et le début des années 1990 constituent aussi des périodes où unetendance à la rupture a été constatée. La dernière période concerne surtout la pluie saisonnièredu printemps, variable sur laquelle cinq des six ruptures de 1992 ont été calculées.

La comparaison avec les autres régions du pays a montré que la station de Gafsa n’a pasenregistré de rupture. Tandis que la station de Tunis en a enregistré deux, hors de la périodeétudiée concernée par cette étude (en 1928 et 1951) sur le nombre de jours de pluierespectivement supérieure aux seuils de 0 et 5 mm.

5-3-2-2 Résultats de la procédure de segmentation de Hubert et Carbonnel (1987)

L’utilisation de la procédure de segmentation de Hubert a donné des résultats reportés dans leTableau 5.7. Pour les pluies annuelles, les pluies saisonnières d’automne et les pluiessaisonnières d’hiver aucune rupture n’a été calculée dans les séries pluviométriques de la



Tunisie centrale. Alors que dans les pluies saisonnières du printemps et d’été nous avonsrespectivement détecté deux (à Ouslatia en 1993 et à Sidi Hamada en 1989) et trois (à SidiSaad en 1964, à Ouslatia en 1976 et à Skhira en 1988) ruptures.

Le poids saisonnier d’hiver n’a pas donné de changement alors que celui d’automne en aenregistré à la station de Skhira en 1992. Dans le poids saisonnier du printemps nous avonsdétecté trois ruptures en 1992 (à Haffouz, Ouslatia et Skhira) et deux ruptures dans lapremière moitié des années 1970 (à Sidi Hamada en 1971 et à Kesra en 1975). Deux rupturesont été calculées dans la variable du poids pluviométrique saisonnier de l’été (à Sidi Hamadaen 1969 et à Kesra en 1988).

Tableau 5.7 Dates de rupture détectées par la procédure de segmentation de Hubert (en grasitalique) et par la méthode bayésienne de Lee et Heghinian (soulignées)

StationVariable El Ala Haffouz Kairouan Kesra Ouslatia Sidi

Hamada Sidi Saad Skhira Gafsa Tunis

PA - - - - - - - - - 1976 - - - 1960 - - - - 19481948

PAT - - - - - - - 1970 - - - - - - - 1992 - - 1950 -

PHV - - - 1989 - - - 1989 - - - 1965 - 1989 - 1989 - - - -

PP - 1993 - 1992 - - - 1971 19931992 19891989 - 1960 - 1992 - - 1952 -

PE - - - - - 1964 - - 1976 - - 1964 19641964 1988 - - - - -

CAPA - - - - - - - 1970 - - - - - - 19921992 - - - -

CHPA - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1949 -

CPPA - - 1992 - - - 19751975 19921992 19711971 - - 19921992 - - - -

CEPA - 1994 - - - - 1988 - - - 1969 - - - - - - - - -

NJP1 - - - - 19761976 1973 - 1976 - 1976 - 1976 - - - - - 19221927

NJP2 - - - - - - 1972 - - 1976 1989 - - 1960 - - - - 19511951

NJP3 - - 19891989 - - - - - 1976 1989 - 19891989 - - - - 19521951

NJP4 - - - - - - - - - - - - - 1960 19881989 - - - -

CPJ - - - - - - - 1970 - - - 1970 19741974 19891989 - - - -

CCPJ 1975 - 19761976 - - 19771977 - - - 1971 19751975 19891989 - - - -

Le nombre de jours de pluie supérieure au seuil de 0 mm a enregistré quatre ruptures en 1976(à Kairouan, Ouslatia, Sidi Hamada et Sidi Saad) et une rupture en 1973 à Kesra. Le nombrede jours de pluie supérieure à 5 mm a enregistré deux ruptures : en 1972 à Kesra et en 1989 àSidi Hamada. Le nombre de jours de pluie supérieure au seuil de 10 mm a enregistré troisruptures en 1989 (à Haffouz, à Sidi Hamada et à Sidi Saad) alors que le nombre de jours depluie supérieure à 30 mm n’en a enregistré qu’une à Skhira en 1988.

Le cumul de pluies supérieures à 30 mm n’a donné que deux ruptures (à Sidi Saad en 1974 età Skhira en 1989) alors que sa contribution dans le total annuel en a enregistré cinq (à El Alaet à Sidi Saad en 1975, à Haffouz en 1976, à Kesra en 1977, et à Skhira en 1989).

La procédure de segmentation de Hubert n’a pas montré une date systématique de rupture dela stationnarité dans les séries pluviométriques de la Tunisie centrale. Cependant, les quelquesruptures constatées, dans les variables étudiées font ressortir deux dates de probables



changements, la moitié des années 1970 et la fin des années 1980.

La comparaison avec les autres régions du pays a montré que le sud représenté par la stationde Gafsa n’a pas enregistré de rupture. Tandis que le nord du pays (station de Tunis) aenregistré une rupture vers 1950 sur six des quinze variables étudiées et une rupture en 1922sur le nombre de jours de pluie supérieure au seuil de 0 mm.

5-3-2-3 Résultats de la méthode bayésienne de Lee et Heghinian (1977)

Les résultats de l’application de la procédure bayésienne de Lee et Heghinian sur les sériespluviométriques de la Tunisie centrale sont compris dans le Tableau 5.7. Ils montrent quepour la pluie annuelle seules deux stations présentent une rupture : Sidi Saad en 1960 etOuslatia en 1976.

Figure 5.7 Dates calculées par la méthode bayésienne de Lee et Heghinian en fonction dunombre de ruptures

La pluie saisonnière d’automne et sa contribution dans le total annuel présentent deuxruptures à la station de Kesra en 1970 et à Skhira en 1992. La pluie saisonnière d’hiverprésente une tendance à la rupture en 1989 sur quatre stations de la Tunisie centrale (àHaffouz, à Kesra, à Sidi Saad et à Skhira) et en 1965 à Sidi Hamada. Sa contribution dans letotal annuel n’en présente aucune.

La pluie saisonnière du printemps présente une rupture en 1992 sur les stations de Haffouz,Ouslatia et Skhira. Elle présente également une rupture en 1960 à Sidi Saad, en 1971 à lastation de Kesra, en 1989 à Sidi Hamada, et en 1993 à El Ala. La contribution de cette pluiedans le total annuel présente trois dates de rupture : 1971 à Sidi Hamada, 1975 à Kesra, et1992 à Ouslatia et à Skhira.

La pluie saisonnière d’été présente une rupture en 1964 à la station de Kairouan, à SidiHamada et à Sidi Saad. La contribution de cette pluie ne présente qu’une rupture en 1994 à lastation d’El Ala.



Huit ruptures ont été calculées dans les variables relatives au nombre de jours de pluiesupérieure à un certain seuil. Une rupture pour le seuil de 0 mm (à Kairouan en 1976), deuxruptures respectivement pour les seuils de 5 mm (à Ouslatia en 1976 et à Sidi Saad en 1960)et 30 mm (à Sidi Saad en 1960 et à Skhira en 1989) et trois ruptures pour le seuil de 10 mm(en 1976 à Ouslatia et en 1989 à Haffouz et à Sidi Saad).

Le cumul des pluies supérieures à 30 mm présente des ruptures en 1970 (à Kesra et à SidiHamada), en 1974 (à Sidi Saad) et en 1989 (à Skhira). Tandis que sa contribution dans letotal annuel en présente vers la milieu des années 1970 (à Haffouz, à Kesra, à Sidi Hamada età Sidi Saad) et en 1989 à Skhira.

La procédure bayésienne n’a pas détecté de date de rupture bien distincte dans les sériespluviométriques de la Tunisie centrale. Quelques dates de rupture ont été cependant détectéesdans certaines variables. Leur recensement a montré que si l’hypothèse de changement estadoptée, il aurait eu lieu au milieu des années 1970 et à la fin des années 1980 (Figure 5.7).

Conformément aux résultats d’autres méthodes utilisées, aucune rupture n’a été constatée à lastation de Gafsa, située dans le sud du pays. Dans les variables de la station de Tunis, il a étéconstaté trois ruptures dans le nombre de jours de pluie supérieure aux seuils de 0 mm en1927, de 5 mm en 1951, et de 10 mm en 1951). Une rupture a été également calculée dans lapluie annuelle en 1948.

La pluie moyenne sur le bassin du Merguellil, qui tient compte à chaque pas de tempsjournalier de toutes les stations présentant des données, a été calculée à l’aide de la méthodedes polygones de Thiessen. Une série de pluies moyennes spatiales à l’échelle annuelle a étéainsi constituée. Les indices d’anomalies calculés à partir de cette série montrent les mêmesconstatations que sur les séries annuelles individuelles des différentes stations (Figure 3.12) :une période déficitaire (1976-1989) encadrée par deux périodes excédentaires (1966-1976 et1989-1998). Cependant, les méthodes de détection de changements dans les sérieschronologiques n’ont détecté aucune rupture de stationnarité dans cette série.

5-3-3- Comparaison des distributions de probabilité des gros évènements pluvieux

Les méthodes de détection de rupture de la stationnarité ont montré à plusieurs reprises lesannées 1976 et 1989 (Tableau 5.7) comme des dates de changement. Crisciani et al. (1994)ont montré que la période 1976-1988 a été dominée par de basses pressions et de hautsniveaux de mer à Trieste, tandis que les périodes antérieure et postérieure ont été caractériséespar des phénomènes inverses. L’année 1976 a aussi été détectée par Kebaili-Bargaoui (1990)comme une date de commencement d'une période sèche dans les séries pluviométriques de laTunisie centrale. Il a été noté également que cette date (1976) a constitué le commencementdes températures anormalement chaudes de la surface de la mer, El Niño, détectées dans lapartie tropicale de l’océan Pacifique (Picaut, 2000 ; Vandiepenbeeck, 1998).



Figure 5.8 Comparaison de l’indice ENSO (a) et des variables centrées réduites (b) calculéessur les pluies annuelles des stations de la Tunisie centrale

Figure 5.9 Distribution des classes des pluies journalières aux stations pluviométriques deSidi Saad, Sidi Hamada, Kairouan et Ouslatia

Les valeurs de l’indice ENSO (Multivariate El Niño South Oscillation index) ont étécollectées (http://www.cdc.noaa.gov/ENSO/enso.mei_index.html) et présentées sur la Figure5.8a. Cette figure montre une occurrence plus importante des valeurs positives de cet indice,correspondant à des situations d’El Niño, durant la période 1976-1989. Il en est, cependant, demême sur la période 1989-1998 (Figure 5.8a), ce qui fait qu’il est difficile d’affirmer



l’existence d’une certaine corrélation entre cet indice et la pluviométrie en Tunisie centrale.Une étude plus approfondie et à l’échelle régionale (méditerranéenne) s’avère nécessaire pouressayer d’aplanir ces interrogations.

Nous avons cependant considéré trois périodes (avant 1976, 1976-1989, et après 1989) surlesquelles l’étude des distributions des gros évènements pluvieux a été effectuée. Pour chaqueposte pluviométrique et pour chaque période, cinq classes pluviométriques ont étéconsidérées : C1 (0-5 mm), C2 (5-10 mm), C3 (10-20 mm), C4 (20-30 mm), et C5 (supérieureà 30 mm). À l'exception de la station d’Ouslatia, une baisse importante de la probabilité despluies supérieures à 30 mm pendant la période 1976-1989 comparativement aux autrespériodes a été constatée sur toutes les stations étudiées (Figure 5.9 ; Figure 5.10). A titred’exemple la probabilité de C5, à la station de Sidi Saad (Figure 5.9), est passée de 33% sur lapériode 1957-1976 à 8% entre 1976 et 1989. Par contre, les probabilités des autres classes depluies restent plutôt stables.

Figure 5.10 Distribution des classes des pluies journalières aux stations pluviométriques deHaffouz, Kesra, Skhira et El Ala

Nous avons utilisé le test F (Siegel, 1988) pour vérifier si les distributions des pluiessupérieures à 30 mm étaient statistiquement homogènes pendant les trois périodes. Pour cela,les proportions des pluies supérieures à 30 mm ont été utilisées à chaque station. L'hypothèsenulle est que les pluies supérieures à 30 mm ont la même distribution de probabilité pendantles trois périodes. Le test a conclu que les différences entre les périodes sont considérables.Elles sont très importantes pour s'être produites par hasard, par conséquent l'hypothèse nulle aété rejetée. Par ailleurs, le test T (Siegel, 1988) appliqué sur chaque paire de périodes,



chacune contenant la période 1976-1989, montre que les distributions de pluies supérieures à30 mm ne sont pas homogènes sur les périodes. La baisse des pluies annuelles, mise enévidence pendant la période 1976-1989, est donc accompagnée par une baisse de lacontribution dans le total annuel des pluies supérieures à 30 mm.

5-4- Variabilité pluviométrique à l’échelle spatiale

5-4-1- Confection des données spatiales

Dans cette partie, partant des résultats de l'approche locale, nous avons voulu étudier l’effet dela baisse de l’occurrence des grands évènements pluvieux entre 1976 et 1989 à l’échellespatiale. L'information qui vient du réseau entier de 25 stations a été utilisée. Un évènementpluvieux a été sélectionné chaque fois qu’une pluie supérieure ou égale à 30 mm a étéenregistrée dans le réseau, ainsi les isohyètes ont été calculés pour tous les évènementssélectionnés. Les surfaces du bassin du Merguellil couvertes par chacune des classes despluies (Tableau 5.8) ont alors été calculées pour chaque événement. Les pluies journalièressupérieures à 30 mm correspondent aux fortes pluies à l'échelle de la région d’étude.

Tableau 5.8 Classes de pluies sélectionnées pour l’approche spatialeClasse Classe 1 Classe 2 Classe 3 Classe 4 Classe 5

Intervalle de pluie (mm) 0 - 5 5 - 10 10 - 20 20 - 30 > 30

La Figure 5.2 présente un exemple de la distribution pluviométrique de l’événement du 29Mars 1977 pendant lequel le maximum enregistré est égal à 53 mm alors que le minimummesuré est de 4 mm. Pour cet événement, la surface de la classe C5 représente 37% (490 km²)du bassin du Merguellil.

5-4-2- Recherche de changement dans la série annuelle des surfaces couvertes parles fortes pluies

À la fin de la confection des données la superficie annuelle cumulée couverte par la classe C5,dont la moyenne interannuelle sur 32 ans équivaut à 1500 Km2, a été calculée (Figure 5.11b).Cette variable a enregistré un pic de 14000 km2 pendant l’année hydrologique exceptionnelle1969/70. D’autre part, la variable centrée réduite de la série de surface annuelle a montréqu’une séquence consécutive d’années déficitaires s'est produite entre les annéeshydrologiques 1975/76 et 1988/89 (Figure 5.11a).

La surface moyenne cumulée annuelle pour la classe C5 était de 2400 km2 entre 1966/67 et1975/76, de 500 km2 entre 1976/77 et 1988/89, et de 1700 km2 entre 1989/90 et 1997/98. Lacomparaison de ces valeurs moyennes a montré que l’extension spatiale des surfacescouvertes par les pluies supérieures à 30 mm a considérablement baissé durant la période1976-1989 dans le bassin du Merguellil. Cependant, la procédure de segmentation de Hubertet le test de Pettitt, appliqués à la série des surfaces annuelles occupées par ces fortes pluies



n'ont pas détecté de rupture dans la moyenne. Par contre la méthode bayésienne de Lee etHeghinian a montré que l’année 1975 serait retenue si l’hypothèse de changement étaitconsidérée.

Figure 5.11 Cumul annuel et indices d'anomalies des surfaces couvertes par les grandsévènements pluvieux dans le bassin du Merguellil

5-4-3- Occurrence annuelle des fortes pluies

Pour mettre plus en évidence ce changement dans l'extension spatiale des fortes pluies, nousavons étudié le nombre de jours par an durant lesquels l’isohyète 30 mm se manifeste dans ledomaine d’étude. Nous avons ainsi construit une série dans laquelle le test de Pettitt a détectéune rupture en 1989 au seuil de 90%. La procédure de segmentation de Hubert a découpécette série en deux sous séries (1967-1989 et 1989-1998) à un niveau de la signification de1% du test de Scheffé.

La méthode bayésienne de Lee et Hegninian a montré un changement de la moyenne danscette série, entre les périodes antérieure et postérieure à 1989 (Figure 5.12b), avec uneamplitude de 5 jours (Figure 5.13). Ainsi le nombre moyen de jours par an où l’isohyète 30mm est présente dans le bassin du Merguellil a connu une augmentation. Il est passé de 11(sur la période 1966-1989) à 16 jours (entre 1989 et 19998). Ce résultat corrobore celuiobtenu précédemment concernant l'augmentation de la contribution des fortes pluies dans letotal annuel dans la période après 1989. Ce résultat est cependant relativisé par l’influence duréseau, parce que durant les dernières années le réseau était composé d’un nombre de stationspluviométriques plus important que pendant les premières années.

Ces résultats ont été obtenus avec un réseau pluviométrique de moindre densité durant lapremière période d’observations. Pour mesurer l’influence de la densité du réseau



pluviométrique, le réseau minimal composé de 9 stations a été utilisé pour calculer le nombreannuel de jours durant lesquels l’isohyète 30 mm apparaît dans la zone d’étude. Sur toute lapériode (1966-1998) une moyenne de 9 jours a été calculée, contre 13 jours calculés enutilisant tout le réseau disponible d’observations.

Figure 5.12 Nombre annuel de stations utilisées pour sélectionner le nombre de jours durantlesquels l’isohyète 30 mm est détectée dans la zone d’étude (a) et la densité de probabilité àposteriori de la position du changement calculée à partir de cette variable (b)

Figure 5.13 Densité de probabilité a posteriori de l’amplitude du changement calculée à partirdu nombre de jours durant lesquels l’isohyète 30 mm est détectée dans la zone d’étude

Les trois méthodes utilisées plus haut pour rechercher la non stationnarité dans les séries



chronologiques n’ont détecté aucune rupture dans la série ainsi calculée. Ceci montre que lesrésultats obtenus dépendent bien évidemment du réseau des observations pluviométriques.Cependant, il est nécessaire de remarquer que les réseaux avant et après la date de rupturedétectée (1989) sont presque similaires, avec un nombre moyen annuel respectivement de 19et 22 stations pluviométriques (Figure 5.12a).

D’autre part, si le changement dans la moyenne du nombre annuel de jours des grosévènements pluviométriques était essentiellement dû à la densité du réseau, il aurait eu lieuvraisemblablement en 1979. En effet, à cette date le nombre moyen de stationspluviométriques en activité sur le bassin du Merguellil a varié de 15 (sur la période 1966-1979) à 23 stations (sur la période 1979-1998).

5-4-4- Homogénéité des distributions de probabilité des classes spatiales de pluie

En utilisant tous les événements, nous avons étudié le pourcentage de surface du bassin duMerguellil couvert par une classe de pluie. Les valeurs médianes estimées à partir dupourcentage de superficie couverte par une classe donnée de pluie sont rapportées dans leTableau 5.9. Il montre qu’alors que les valeurs médianes pour les quatre premières classes ontaugmenté, la cinquième classe a connu une baisse à partir de l’année 1976.

Figure 5.14 Distributions cumulatives des pourcentages des surfaces couvertes par les classesde pluie pendant les grands évènements pluvieux

Par ailleurs, les distributions cumulatives des superficies couvertes par les différentes classes



de pluie sont portées sur la Figure 5.14. Il en sort que pour la classe 1 (Figure 5.14a), ladistribution est presque uniforme alors que les distributions des autres classes sont penchéesvers les faibles valeurs. Nous avons aussi trouvé que les distributions cumulatives pour lesclasses 1 à 4 sont homogènes sur les trois périodes sélectionnées (Figures 5.14a, 5.14b, 5.14cet 5.14d). Pour la cinquième classe (Figure 5.14e), la distribution cumulative est relativementdifférente d'une période à une autre. En effet, le comportement pendant les périodes 1966-1976 et 1976-1989 est très différent avec un abaissement du pourcentage de superficiecouverte par la classe 5 depuis 1976 pour une même fréquence.

Tableau 5.9 Comparaison des valeurs médianes du pourcentage des superficies couvertes parchaque classe de pluie dans les différentes périodes sélectionnées

Valeur médiane à différentes périodes (%)Numéro de classe Limite de classe

1966-1976 1976-1989 1989-19981 0-5 mm 22.3 27.6 23.0

2 5-10 mm 13.4 18.4 13.5

3 10-20 mm 16.2 24.7 22.6

4 20-30 mm 10.1 12.3 9.5

5 > 30 mm 7.6 2.2 2.9

Pour vérifier l'homogénéité des distributions de la classe 5 sur les différentes périodes, nousavons appliqué le Test de Smirnov (Saporta, 1990). La statistique D du test correspondant à lapériode 1966-1976 comparée à la période 1976-1989 est égale à 0.282 alors que celle issue dela comparaison des périodes 1976-1989 et 1989-1998 est égal à 0.018. Par conséquent, pourun niveau de signification de 5% (Dcritical < 0.23), la distribution de la période 1966-1976est considérablement différente de celle de la période 1976-1989. Cependant, nous constatonsque pour ce seuil de fiabilité la distribution de la période 1976-1989 n'est pas statistiquementdifférente de celle de la période 1989-1998. Ceci est confirmé par les valeurs médianes dupourcentage de superficies couvertes par la classe 5 proches pour ces deux périodes illustréesdans le Tableau 5.9 (2.2 et 2.9% pour respectivement 1976-1989 et 1989-1998 contre 7.6%pour la période 1966-1976). Ainsi, l’année 1976 a été considérée comme une année dechangement en ce qui concerne la distribution du cumul annuel des surfaces du bassin duMerguellil couvertes par les pluies supérieures à 30 mm.

5-5- Conclusion

L'étude de huit séries pluviométriques annuelles de la Tunisie centrale a mis en évidence uneséquence déficitaire entre 1976 et 1989. Trois méthodes de détection de changement dans lesséries chronologiques (le test de Pettitt, la procédure de la segmentation de Hubert, et laméthode bayésienne de Lee et Heghinian) n'ont pas conclu au changement de stationnaritédans les séries individuelles des variables dérivées des pluies journalières mesurées auxdifférentes stations pluviométriques. Cependant, le test F a montré que les distributions despluies supérieures à 30 mm ne sont pas statistiquement homogènes sur les trois périodes(1966-1976, 1976-1989 et 1989-1998), avec une baisse importante de leur contribution entre



1976 et 1989.

Le réseau entier constitué de 25 stations a été ensuite utilisé pour visualiser les distributionsspatiales des événements pluviométriques les plus importants et construire les distributionscumulatives des pourcentages des superficies couvertes par les pluies journalières supérieuresà 30 mm dans chacune des trois périodes (1966-1976, 1976-1989 et 1989-1998). Pour unniveau de signification de 5%, le test de Smirnov est parvenu à la conclusion selon laquelleles distributions des surfaces couvertes par les pluies supérieures à 30 mm sontsignificativement différentes entre les périodes 1966-1976 et 1976-1989. Ainsi, 1976constitue une année de changement en ce qui concerne la distribution du cumul annuel dessurfaces couvertes par ces pluies. Par contre, le nombre moyen annuel de jours où l’isohyète30 mm est présent dans la région d'étude a augmenté de 11 jours (sur la période 1966-1989) à16 jours (sur la période 1989-1998). Par conséquent, alors que le nombre moyen annuel dejours où l’isohyète 30 mm est présent dans la région d'étude a augmenté depuis 1989, ladistribution de la couverture spatiale des pluies supérieures à 30 mm a connu une baisseconsidérable depuis 1976. Ces résultats confirment le rôle particulier joué par ces deux annéesdans la variabilité climatique récente de la Tunisie centrale.

Les réductions de la couverture spatiale et du cumul des contributions des événementspluvieux importants après 1976 peuvent être perçues comme faisant partie des éléments quiont contribué à la baisse des apports du bassin versant du Merguellil pendant la premièredécennie d'exploitation du barrage d’EL Haouareb. Cependant une certaine reprisepluviométrique enregistrée sur la période 1989-1998, particulièrement l'augmentation dunombre de jours de pluies supérieures à 30 mm, nous oriente vers l’hypothèse que lacombinaison de l’action humaine et de la variabilité pluviométrique est plus apte à expliquerla baisse des apports de l’oued Merguellil sur cette période.

6. Présentation du modèle d’écoulements« MODCOU » et discrétisation de la zone d’étudeLes phénomènes naturels étant très complexes il est difficile de trouver un modèle qui lesreprésente entièrement. Selon le type de simplification effectuée, il existe donc plusieurs typesde modèles qui répondent chacun à une problématique bien déterminée. C’est pour cetteraison que quand on veut étudier un phénomène, si l’on ne peut pas construire son propremodèle, il faut trouver dans la panoplie de modèles sur le marché celui qui répond le plusfidèlement possible à la problématique posée.

Dans notre cas le problème étant d’étudier le cycle global (superficiel et souterrain) de l’eausur un bassin affecté par des changements d’occupation. Il faut trouver un modèle qui répondeà ces deux exigences. Le modèle MODCOU a été choisi parce qu’il a déjà fait ses preuvesdans divers contextes climatiques. D’autre part, il permet de simuler l’ensemble du cycle del’eau en bassin et sa fonction de production de type conceptuel permet de prendre en comptedivers changements d’occupation.

Ce chapitre commencera par une brève présentation du modèle d’écoulement utilisé. Leschoix de la date de référence et de la période d’étude seront effectués après. Ensuite nousprésenterons les conditions aux limites de la zone d’étude ainsi que le découpage géométriqueadopté. Nous terminerons par une paramétrisation spatio-temporelle de la fonction deproduction du modèle hydrologique qui tient compte de l’état naturel du bassin ainsi que de lachronologie d’implantation des aménagements de conservation des eaux et des sols mis enplace dans ce bassin depuis trois décennies.

6-1- Description du modèle d’écoulement6-1-1- Le modèle Modcou

Le modèle MODCOU (Ledoux, 1980), développé à l’Ecole des Mines de Paris et qui présentel’avantage d’avoir été appliqué dans divers contextes (Ledoux et al., 1989 ; Ambroise et al.,1995 ; Violette et al., 1997 ; Etchevers et al., 2001), est utilisé dans cette étude. Il divise lecycle de l’eau en cinq fonctions : la fonction d’entrée, la fonction de production, la fonctionde transfert en surface, la fonction de transfert en souterrain (transferts en zone non saturée eten zone saturée) et la fonction des échanges entre la surface et le souterrain (Girard et al.,1981).

La fonction d’entrée représente les précipitations sur la zone d’étude et les échanges auxlimites. La fonction de production est de type conceptuel à réservoirs (Figure 6.2), elle répartitles précipitations entre l’infiltration, le ruissellement, l’évapotranspiration et le stockage dansle sol (Girard, 1975 ; Girard et al., 1981 ; Goula Bi Tie, 1993 ; Golaz-Cavazzi, 1999 ; Gomez,2002). Elle est définie pour chaque zone d’homogène production et est constituée de deuxvariables d’état (R et RNAP) et sept paramètres dont cinq capacitifs (CRT, DCRT, FN,QRMAX et QIMAX) et deux de vidange (CQR et CQI).

Chapitre VI : Présentation du modèle d écoulements « MODCOU » et discrétisation de la zone d étude


Le transfert en zone non saturée est effectué à l’aide du modèle à réservoirs en cascade deNash. Ce modèle conceptuel assimile la zone non saturée à une succession de N réservoirscaractérisés par un même temps de vidange qui définit la vitesse de percolation de l’eau dansle sol (Besbes, 1978).

Toutefois, le transfert en zone non saturée n’a pas été pris en compte dans cette modélisation.Ce choix a été motivé par le fait que le niveau statique de la nappe est à faible profondeur etqu’elle est presque affleurante dans certaines zones. En effet, la Figure 6.1 montre que laprofondeur moyenne des puits qui captent la nappe phréatique est d’environ 15 m et que celledu plan d’eau est de 12 m. D’autre part, les échelles de temps considérées pour les donnéespiézométriques (mesures mensuelles semestrielles) sont suffisamment longues pour que lesquantités infiltrées aient le temps de rejoindre la nappe.

Figure 6.1 Distributions empiriques du niveau statique et de la profondeur de tous les puitsrecensés pendant toute la période d’étude.

Par ailleurs, étant donné que nous ne disposions pas de suffisamment de données pour étudierefficacement le transfert en zone saturée et que le modèle dispose déjà d’un important nombrede paramètres, le souci de parcimonie a été aussi l’un des facteurs qui ont motivé le choix dene pas activer le module de la zone non saturée. Ce choix peut avoir comme conséquence unasynchronisme entre les piézométries mesurée et calculée. Le retard induit par le transfert enzone non saturé n’étant pas pris en compte, les quantités infiltrées arriveraient plusrapidement à la nappe.

Le transfert dans la zone saturée est effectué à l’aide du modèle NEWSAM (Levassor etLedoux, 1996), basé sur l’intégration numérique de l’équation de la diffusivité (éq. 5.1)régissant les écoulements en milieux poreux. La schématisation multicouche des systèmes



hydrogéologiques distingue les couches aquifères, sièges d’écoulements en nappe, séparéespar des couches semi-perméables où les circulations sont faibles. L’approximation de cetteéquation (éq. 5.1) par la méthode des différences finies conduit à un système d’équationslinéaires dont la résolution permet d’estimer la charge hydraulique en tout point du domainesouterrain maillé.

infsup)( qqqthShgradTdiv +++

∂∂

= (5.1)

Avec h la charge hydraulique, T la transmissivité, S le coefficient d’emmagasinement, q ledébit injecté ou prélevé, qsup le débit surfacique échangé avec le semi-perméable supérieur, etqinf le débit surfacique échangé avec le semi-perméable inférieur.

Les échanges nappe-rivière (QNAP) s’effectuent entre la rivière et la nappe souterraine qui secorrespondent verticalement. Ils sont calculés en fonction du niveau de la rivière (h0) et duniveau piézométrique de la nappe (h). Un paramètre TP (éq. 5.2), qui reflète la perte de chargeentre la rivière et la nappe, permet de schématiser ce transfert.

( )0hhTPQNAP −= (5.2)

Le transfert en surface se décompose en transfert sur les versants et en rivière. Le réseauhydrographique est ainsi découpé en biefs constitués chacun d’une succession de maillesrivières appartenant à une zone comprise entre deux isochrones données. Les biefs se videntles uns dans les autres selon le modèle suivant (éq. 5.3). Un coefficient de vidange caractériseainsi chaque bief.

( ) ( ) ( )∑=

+ ++++∗−=n

kjkjkkjijijiiji QRVXKBQNAPQRVXKBV

1,,,,,1, 1 (5.3)

Avec Vi, j+1 le volume d’eau stocké dans le bief i au pas de temps j+1, QRi, j la quantité d’eaudisponible au pas de temps j en provenance des sous bassins ruisselant dans le bief i, XKBi lecoefficient de vidange du bief i, QNAPi, j la quantité d’eau échangée au pas de temps j entre ledomaine souterrain et les mailles rivières constituant le bief i, et n le nombre total de biefs quise jettent dans le bief i.

Les différentes fonctions sont représentées à travers une structure modulaire qui confère àMODCOU une certaine souplesse, notamment la possibilité d’être couplé avec d’autresmodèles. C’est ainsi que Etchevers et al. (2001) l’ont couplé avec le modèle ISBA de Météo-France pour étudier les ressources en eau du bassin du Rhône.

6-1-2- La fonction de production

La fonction de production standard de MODCOU comporte deux variables d’état et septparamètres qui régissent la répartition des pluies entre les différents éléments du cycle del’eau (Figure 6.2). Elle est composée par trois principaux types de réservoirs : un réservoir de



bilan, un réservoir de séparation entre l’infiltration et le ruissellement, et deux réservoirs detransfert.

Le réservoir de bilan reçoit la pluviométrie et régit la façon dont on répartit l’eau entre lestock dans le sol, l’évapotranspiration et une quantité dénommée «EAU» qui sera plus tardrepartie entre le ruissellement et l’infiltration. Ce réservoir contient deux principauxparamètres (DCRT et CRT) :

◊ Le paramètre DCRT est la valeur minimale en mm du stock en eau du sol, en deçà delaquelle aucune production d’eau n’est possible pour le ruissellement et la recharge de lanappe. Ce paramètre règle principalement le rôle des premières pluies survenant après unepériode de sécheresse.

◊ Le paramètre CRT est la valeur moyenne en mm du stock en eau du sol.L’évapotranspiration réelle croit avec ce paramètre qui conditionne ainsi le bilan hydriqueglobal.

Figure 6.2 Paramètres et variables d’état de la fonction de production standard du modèleMODCOU (Girard et al., 1981).

Le deuxième réservoir règle la façon dont la quantité «EAU» produite est répartie entre leruissellement et l’infiltration. Un seul paramètre, FN, caractérise ce réservoir :

◊ Le paramètre FN est la valeur maximale en mm de l’infiltration sur un pas de temps. Si laquantité «EAU» produite est en deçà de FN, elle s’infiltre en totalité. Dans le cascontraire, une quantité FN est destinée à l’infiltration et le reste (EAU-FN) est envoyévers le ruissellement.

Les réservoirs de type transfert caractérisent la façon dont l’eau destinée à l’infiltration et auruissellement est acheminée. Il existe donc deux réservoirs de type transfert relatifs à ces deux



processus. Chacun de ces réservoirs est caractérisé par deux paramètres, on a ainsi 4paramètres en totalité (CQR, QRMAX, CQI et QIMAX).

◊ Le paramètre CQR est le coefficient de tarissement du réservoir de ruissellement.

◊ Le paramètre QRMAX est le niveau de débordement du réservoir de ruissellement. Ilétablit avec CQR la répartition entre le ruissellement pur et le ruissellement retardé.

◊ Le paramètre CQI est le coefficient de tarissement du réservoir d’alimentation de lanappe.

◊ Le paramètre QIMAX est le niveau de débordement du réservoir d’alimentation de lanappe. Ce paramètre, ainsi que le paramètre CQI, permet d’introduire un certain retardentre l’infiltration et l’alimentation de la nappe.

Les variables d’état sont au nombre de deux et définissent l’état du réservoir sol (R) et celuidu réservoir qui alimente la nappe (RNAP).

6-2- Choix de la date de référence et de la période d’étudeLa modélisation conjointe des écoulements superficiels et souterrains a besoin de diversesdonnées parmi lesquelles la pluviométrie, l’hydrométrie, la piézométrie et l’exploitation desnappes. La chronologie de la mesure de ces données dans le bassin du Merguellil est résuméedans la Tableau 6.1. A partir des périodes d’observation des différentes données, 1970 a étéchoisie comme l’année de référence. Ce choix a été motivé par le fait que d’une part cette datecorrespond au début des mesures piézométriques dans la zone d’étude : les mesures ont déjàdébuté sur 14 piézomètres à la fin de l’année 1970 (annexe 6). D’autre part, elle correspond àune période où l’exploitation des nappes du Merguellil était encore relativement faible et malconnue. D’ailleurs les premières mesures des prélèvements dans les nappes profondes danscette région n’ont débuté que vers 1973. Nous avons cependant quelques estimations de cesprélèvements, sur la période antérieure, par une étude précédemment effectuée sur la zone(Besbes, 1967). Le régime initial du système souterrain a été ainsi reconstitué à cette date.

En 1970, une seule station hydrométrique était en service sur le bassin du Merguellil et onrecense 13 stations pluviométriques dont les mesures sur la majorité d’entre elles venaient àpeine de commencer (Tableau 6.1). Les crues exceptionnelles de l’année hydrologique1969/70 seront prises en compte dans cette modélisation pendant la phase de validation. Eneffet, nous tenterons leur reconstitution à la seule station de Haffouz qui était opérationnellependant cette période. L’objectif est de vérifier si les paramètres du modèle issus du calagepermettent de reconstituer un comportement raisonnable du système à la suite d’uneperturbation aussi grande.

Nous avons choisi d’arrêter notre période d’étude à 1998, parce que les estimations desapports au barrage d’El Haouareb élaborés dans un précédent travail vont jusqu’à cette date(Kingumbi, 1999). La modélisation des écoulements du bassin du Merguellil sera ainsieffectuée sur une période de 28 ans, allant de 1970 à 1998.



Tableau 6.1 Périodes d’observation des principales données de la zone d’étude

6-3- Maillage et conditions aux limites de la zone d’étude6-3-1- Maillage de la zone d’étude

La zone d’étude a été discrétisée en mailles de tailles variables (mailles gigognes). Nousavons opté pour 3 tailles de mailles pour l’écoulement de surface et une taille pour les maillesdu modèle souterrain.

6-3-1-1- Maillage du système superficiel

La discrétisation du domaine a été effectuée à partir du MNT du bassin versant du Merguellil.Etant donné l’étendue spatiale de ce bassin, une taille minimale de maille de 500 mètres decôté nous a semblé adaptée pour cette étude. En utilisant le système d’informationgéographique IDRISI et les fonctions hydrologiques qui lui ont été adaptées par Leblois(1993), une série d’informations hydrologiques ont été calculées : information sur lesdirection de drainage, information sur le réseau hydrographique, information sur les surfacesdrainées en chaque maille, et information sur le découpage du bassin versant en sous bassins.

Ces informations et le découpage du bassin en zones de production ont été utilisés par unensemble de programmes appelé SIGMOD (Golaz-Cavazzi, 2000) pour générer un maillage



du bassin versant du Merguellil de type NEWSAM, définir son réseau de drainage et faire sarépartition en zones isochrones et de production.

Au total nous avons discrétisé le bassin du Merguellil en 2070 mailles de surface dont lestailles varient entre 500 et 2000 m (Figure 6.3). Elles ont ensuite été réparties en maillesversants et en mailles rivières. En tenant compte de la largeur des principaux oueds, la pluspetite taille (500 m) a été attribuée aux différentes mailles rivières. De plus, lescaractéristiques physiographiques (altitude et numéro de la fonction de production) ont étédéfinies pour chacune de ces mailles.

Par ailleurs, on a défini les mailles dites « gouffres » dont le principe a été introduit dansMODCOU par Golaz-Cavazzi (1999). Elles permettent de représenter les zones où l’eauruisselante provenant de l’amont atteint une zone fortement perméable. Pour chacune desmailles de cette zone on calcule alors la lame ruisselée amont qui est ensuite basculée en lameinfiltrée au niveau de la maille gouffre. Les positions des ces zones d’engouffrement sontprécisées sur le maillage de surface. Pour le bassin du Merguellil, nous avons positionné lesmailles gouffres au niveau des piedmonts (Figure 6.4b) des principaux reliefs (djebelsOuesslat, Touila et Trozza).

6-3-1-2- Maillage du système souterrain

Le système souterrain a été discrétisé en deux couches. La première couche qui représente la« nappe phréatique » est composée de 419 mailles d’une même taille (1000 m). La secondecouche appelée « nappe profonde » est constituée de 584 mailles de la même taille que lanappe phréatique (Figure 6.3). Cette schématisation en deux couches a été motivée par lescorrélations litho-stratigraphiques et la déconnexion des deux nappes dans certaines zones dubassin (Kingumbi et al., 2005b).

Dans la zone de Bouhafna, il existe une large étendue des affleurements oligocènes (Figure4.2). Deux sondages exécutés dans ces affleurements en 1981 (Oued El Karmoussa (120 m) etEl Khobna (140 m)), qui ont atteint le substratum imperméable, ont montré que cette partie del’aquifère n’était pas saturée. Ceci indique que ces affleurements ne joueraient qu’un rôle decollecteur d’eau vers la partie saturée. Nous avons ainsi préconisé une troisième coucheappelée « couche intermédiaire » sans capacité d’emmagasinement significatif, pour tenircompte de cette zone assez étendue en surface (115 km2). Cette couche collecte ainsi lesinfiltrations sur les affleurements oligocènes de Bouhafna et les transmet latéralement vers lapartie saturée que constitue la nappe profonde. La couche ainsi délimitée est composée de 114mailles et nous l’avons placée entre la couche phréatique et la couche profonde (Figure 6.3).

6-3-2- Définition des conditions aux limites du système

L’alimentation du système se fait par les affleurements et les djebels. La nappe profondes’alimente au niveau des affleurement oligocènes de Bouhafna et Cherichira, ainsi qu’auniveau des djebels Trozza, Touila et des calcaires éocènes du djebel Ouesslat (Figure 6.3).



Nous avons aussi supposé une alimentation de la nappe par l’oued Merguellil lors de sonpassage sur les affleurements oligocènes : drain imposé pour la nappe profonde (Figure 6.4).

Figure 6.3 Maillage, conditions aux limites du système souterrain et réseau de surveillancepiézométrique du bassin du Merguellil.Pour ce qui est de la nappe phréatique, en plus des alimentations au niveau des piedmonts,nous avons supposé une certaine alimentation directe par la pluie. La valeur de cettealimentation, supposée égale à 5% de la pluie moyenne interannuelle (1970-1998) à l’étatinitial, a été déterminée en partant des résultats des études antérieures sur la zone d’étude(Gribaa, 1997 ; Baba Sy 1999).

Pour ce qui est des sorties du système, la nappe phréatique est drainée par les principauxoueds : Ben Zitoune, Merguellil, Zebbes et Zeroud. Tandis que la nappe profonde a commeexutoire les sources (Iktifet El Omrane, Zeroud et Cherichira) ainsi que les percolations enprofondeur vers la nappe de la plaine de Kairouan à travers le seuil d’El Haouareb.

En régime initial, trois types de conditions aux limites ont été utilisées : les conditions dedébits, de potentiels et de drains imposés (Figure 6.4a). Les conditions de débits imposés ontété admises pour l’alimentation du système au niveau des zones d’affleurements (Bouhafna)et des piedmonts des djebels (Ouesslat, Touila et Trozza). Les conditions de potentiels



imposés ont été utilisées au niveau des affleurements des grès oligocènes de Cherichira. Lesconditions de drains imposés ont été admises (Figure 6.4a) : (a) dans les mailles de la nappephréatique en communication avec les oueds, (b) dans les mailles de la nappe profonde enrelation avec les principales sources inventoriées dans le bassin du Merguellil et (c) dans lesmailles d’alimentation de la nappe profonde par l’oued Merguellil.

Figure 6.4 Précision des conditions aux limites utilisées pour le calage du système souterrain(a) à l’était initial et (b) en régime transitoire

En régime transitoire (Figure 6.4b), les infiltrations étant calculées par la fonction deproduction, les conditions de débits et potentiels imposés ont été levées. Cependant, on apréalablement défini les mailles gouffres au niveau des piedmonts des principaux djebels pourpouvoir infiltrer le ruissellement sur ces reliefs vers la nappe.

6-4- Répartition spatiale des paramètres de la fonction deproductionLe modèle MODCOU offre la possibilité d’utiliser un maximum de 14 fonctions deproduction. En conséquence, dans la détermination des zones homogènes, il ne fautconsidérer que les paramètres les plus pertinents pour décrire l’état de surface de la zoned’étude. Dans le cas du Merguellil, deux paramètres nous ont semblé essentiels pour définirles zones homogènes : l’état naturel (les sols et leurs occupations) et les aménagements CESqu’a connu ce bassin.

6-4-1 Etat naturel

En partant des conditions naturelles, les paramètres de la fonction de production sontdistribués spatialement en tenant compte de la nature des sols, de leur occupation et desaffleurements des couches aquifères. Cinq fonctions homogènes de production ont été ainsidéfinies : quatre fonctions notées « sol et occupation » ont trait à la nature des sols et à leurs



occupations et une fonction a été définie pour tenir compte des affleurements de la principaleformation aquifère (Oligocène) de la zone d’étude.

Tableau 6.2 Entités pédologiques retenues pour le bassin du MerguellilNuméro Nature pédologique Superficie (km2)

1 Croûtes calcaires 214

2 Marnes - Argiles 236

3 Grès - Marnes 256

4 Sables -Argiles 95

5 Grès - Sables 121

6 Matériaux sableux 403

Les sols ont été répartis en 6 classes (Tableau 6.2) dont l’échelle est graduée de 1 à 6 enpartant du sol qui favorise le ruissellement des versants au détriment de l’infiltration verscelui qui favorise l’infiltration au détriment du ruissellement. De la même manière, lesoccupations des terres ont été rangées de 1 à 5 en fonction de leur aptitude à favoriser leruissellement ou l’infiltration (Tableau 6.3).

Tableau 6.3 Différentes occupations des terres du bassin du MerguellilNuméro Occupation des terres Superficie (km2)

1 Zones inondables – Zones Bâties 17

2 Zones de parcours 353

3 Zones d’arboriculture 304

4 Zones des cultures annuelles 429

5 Zones des forêts 222

Nous avons superposé ces deux informations dans le SIG ArcView par une fonctionmultiplicative des numéros des classes de chacune des deux couches. Cette opération a donnéune nouvelle carte de 17 entités (Figure 6.5) dont les numéros des nouvelles entités varient de1 à 30. Les faibles valeurs sur cette carte représentent les zones qui favorisent plusl’écoulement tandis que les fortes valeurs représentent les zones qui favorisent plusl’infiltration. Nous avons ensuite réparti les 17 entités obtenues en quatre nouveauxensembles qui constituent les zones de production homogènes (Figure 6.5 et Tableau 6.4). LaFigure 6.6 reporte la répartition spatiale de ces ensembles ainsi que celle des affleurementsOligocène :

− La première zone de production homogène, appelée « Croûtes », occupe surtout lesprincipaux reliefs du bassin. On la rencontre au niveau des djebels Trozza, Touila, Cherichira,Ouslatia et sur le haut plateau de la Kesra.

− La deuxième zone de production homogène se trouve essentiellement en zone forestièrede l’amont du bassin comprise dans le bassin de Skhira et celui de l’oued El Morra. Nous lanommerons « forêts » qui constitue son occupation prédominante.



Figure 6.5 Dix sept entités issues de la superposition des classes pédologiques etd’occupations et leur subdivision en zones d’homogène production

− La troisième zone de production est présente sur l’ensemble du bassin du Merguellil.Nous la nommerons « argiles », sa prédominante texture pédologique.

Tableau 6.4 Entités d’homogène production retenues pour le bassin du MerguellilNuméro Nom Plages des anciennes classes Superficie (km2)

1 Croûtes 1-6 369

2 Forêts 7-10 202

3 Argiles 11-16 300

4 Sables 17-30 280

5 Affleurements Affleurements Oligocènes 174

− La quatrième zone de production homogène se situe essentiellement dans la partie aval dubassin caractérisée par la présence des nappes aquifères, particulièrement le plateau d’El Alaet dans la région d’Aïn Baïdha. Nous la désignerons par les « sables » qui constituentl’essentiel de sa texture pédologique.

La cinquième zone de production homogène a été proposée pour tenir compte desaffleurements de la principale formation aquifère de ce bassin. Elle sera qualifiée par le nom« affleurements ».

6-4-2- Aménagements

Le bassin du Merguellil a connu plusieurs types d’aménagements. Dans la répartition spatialedes paramètres de la fonction de production nous n’avons tenu compte que des aménagementsles plus importants et pour lesquels nous disposions d’une certaine chronologied’implantation : les aménagements en banquettes et les aménagements en lacs et barragescollinaires.

Nous avons supposé que les aménagements en banquettes avaient pour effet de favoriserl’infiltration au détriment du ruissellement. Une fonction de production appelée



« banquettes » a été ainsi créée pour tenir compte de leur comportement spécifique.

Une étude des systèmes de production autour des lacs collinaires a montré que la plus grandepart des eaux des lacs collinaires se perdaient par évapotranspiration (Selmi, 1996). Tenantcompte de l’absence d’information sur les quantités prélevées pour l’usage des agriculteurs etsachant que le modèle ne nous permet pas d’en tenir compte, nous avons proposé unenouvelle fonction de production appelée « lacs collinaires » qui suppose que pour les sous-bassins des lacs et barrages collinaires les pluies sont perdues par l’évapotranspiration réelle.

Figure 6.6 Répartition spatiale des zones de production homogène issues de la superpositionde l’occupation et de la nature des sols

Pour cette fonction de production, on suppose aussi que l’infiltration est négligeable dans lessous-bassins des lacs et barrages collinaires. Ceci a été adopté après avoir constaté que laquasi-totalité des lacs sont situés à l’amont du bassin où les nappes aquifères sont presqueinexistantes (Figure 2.8). Pour ce qui concerne les lacs situés dans la partie aval qui comportel’essentiel des nappes du bassin du Merguellil, nous avons affecté aux sous bassins des lacs lafonction de production de type aménagement en banquettes. C’est le cas du lac collinaire ElHoshas dont l’objectif est justement l’alimentation de la nappe de Haffouz, ainsi que pour lelac Ben Zitoune situé dans la zone d’Aïn Baïdha.

Pour les lacs situés dans les affleurements oligocènes de Bouhafna, la fonction de production« affleurements » qui favorisait l’infiltration au détriment du ruissellement a été conservée.



6-5- Prise en compte de la variabilité temporelle des paramètresLorsqu’il n’y a pas de changement d’occupation (pas de lac collinaire ni banquettes), lesparamètres des fonctions de production restent uniformes dans le temps sur les mailles.Lorsqu’il y a un changement d’état de surface une nouvelle valeur des paramètres de lafonction de production est imposée.

Les 4 fonctions de productions relatives à l’occupation et à la nature des sols ainsi que lafonction relative aux affleurements oligocènes sont supposées ne pas changer en fonction dutemps. Il n’y a donc que les deux dernières, concernant les aménagements, qui sont variablesdans le temps. Au cours de l’historique, nous avons donc pour les différents aménagements 8fonctions de production supplémentaires susceptibles d’être rajoutées, si on considère lafonction « eau » définie automatiquement par le modèle comme la fonction de productionnuméro 2.

Tableau 6.5 Description des fonctions de production supplémentaires issues de lachronologie d’implantation des aménagements CES sur le bassin du MerguellilFonction de productionsupplémentaire et sa nature

Surface couverte(km2)

Date de début(années)

Fonction de production initiale affectéepar le changement

Fonction 7 (banquettes) 48.50 1985 Croûtes

Fonction 8 (banquettes) 77.75 1995 Argiles

Fonction 9 (banquettes) 9.00 1980 Croûtes

Fonction 10 (lacs) 10.00 1986 Croûtes

Fonction 11 (lacs) 30.75 1992 Forêts

Fonction 12 (lacs) 16.00 1994 Argiles

Fonction 13 (lacs) 21.75 1995 Sables

Fonction 14 (lacs) 9.50 1996 Argiles

La vague la plus importante des aménagements en banquettes ayant commencé avec lesannées 1980, nous ne considérerons que ceux mis en place au cours des deux dernièresdécennies (Figure 2.7). Les aménagements mis en place au cours d’une décennie ont étécomptabilisés à partir du milieu de la décennie, c’est ainsi que les aménagements des années1980 ont été supposés, dans le modèle, commencer en 1985 tandis que ceux des années 1990ont été supposés commencer en 1995.

Partant des dates d’implantation des lacs et barrages collinaires, six changements ont étéconsidérés. Les retenues aménagées avant les crues de 1969, qui sont supposées s’êtreenvasées à la suite de ces évènements exceptionnels, n’ont pas été prises en compte. D’autrepart, par souci de parcimonie de paramètres, les lacs de Ben Zitoune (mis en place en 1993) etd’El Hoshas (mis en place en 1989) ont été pris en compte dans les aménagements enbanquettes des décennies respectivement 1990 et 1980.



Figure 6.7 La représentation pour chaque fonction de production initiale des superficies desmailles affectées par un changement avant et après la répartition des huit fonctions deproduction supplémentaires.

Figure 6.8 Evolution temporelle des proportions de surface des fonctions de productioninitiales concernées par un changement et le type de changement intervenu.

Par ailleurs, Les lacs d’Abda (1970), Dahbi (1980) et d’El Marrouki (1973) implantés dans leszones aquifères, ont été intégrés en tant que fonction « banquettes » dont 1980 est supposéeêtre la date de commencement. Ainsi au total cinq fonctions de production de type « lacscollinaires », dont les dates de commencement sont les suivantes, ont été répertoriées : 1986(lacs de Bouksab et Maiz), 1992 (lacs de Fidh Ben Nasser, Bouchiha 1, Bouchiha 2, Fidh Ali,El Gatar, Fedden Bou Ras, El Morra, Absa1 et Absa2), 1994 (lacs de El Mahbes, Wad Hajar,



Aïn Smili, Wad Daoud et Sidi Sofiane), 1995 (lacs de El Ghatatis et Kharrou) et 1996 (Lacsde Nmal, Aïn Smili et El Gassaa).

Figure 6.9 Distribution spatiale des fonctions de production sur la période 1996-1998

Les mailles concernées par un changement dû aux aménagements (banquettes ou retenuescollinaires) sont affectées à l’origine par des fonctions de production dites initiales qui sontrelatives aux sols et à leurs occupations (croûtes, forêts, argiles et sables). Chacun des huitchangements proposés pouvant concerner les mailles occupées par les quatre fonctions deproduction initiales, on devrait ainsi avoir un total de 32 changements à effectuer (8*4). Dupoint de vue pratique, ceci ramènerait à 32 le nombre de fonctions de productionsupplémentaires à implanter dans le modèle. Or la version du modèle MODCOU utilisée danscette étude n’admet que 14 fonctions de production différentes, ce qui limite à 8 le nombre defonctions de production supplémentaires à définir. Pour palier à ce problème, nous avonssupposé que les mailles concernées par un changement admettaient la fonction de productioninitiale la plus représentative (Tableau 6.5). Ainsi malgré un certain changement dans larépartition spatiale, les surfaces des fonctions de production initiales affectées par unchangement restent relativement les mêmes avant et après la mise en application de cettehypothèse (Figure 6.7).

La chronologie d’évolution de toutes les fonctions de production en fonction du temps est



comprise dans la Figure 6.8 et le Tableau 6.6. La Figure 6.9 représente la dernière répartitionspatiale (pour la période 1996-1998) des 7 types de fonctions de productions (croûtes, forêts,argiles, sables, affleurements, banquettes et lacs collinaires) sur les mailles superficielles de lazone d’étude.

Tableau 6.6 Chronologie des différents types de fonctions de production utilisées et l’étenduede leur couverture spatiale (Km²) sur le bassin du Merguellil

Période Fonctions de production et surface couverte (km2)

1970-1980 Croûtes (369), Forêts (202), Argiles (300), Sables (280) et Affleurements (174)

1980-1985 Croûtes (360), Forêts (202), Argiles (300), Sables (280), Affleurements (174) et Banquettes (9)

19885-1986 Croûtes (311), Forêts (202), Argiles (300), Sables (280), Affleurements (174) et Banquettes (58)

1986-1992 Croûtes (301), Forêts (202), Argiles (300), Sables (280), Affleurements (174), Banquettes (58) etLacs collinaires (10)

1992-1994 Croûtes (301), Forêts (171), Argiles (300), Sables (280), Affleurements (174), Banquettes (58) etLacs collinaires (41)

1994-1995 Croûtes (301), Forêts (171), Argiles (284), Sables (280), Effleurements (174), Banquettes (58) etLacs collinaires (57)



6-6- ConclusionLe modèle MODCOU qui simule à la fois les écoulements superficiels et souterrains estutilisé dans cette étude. Ce modèle a été choisi pour sa renommée internationale étant donnéle nombre important et la diversité des contextes dans lesquels il a été utilisé. D’autre part, ilest adapté au problème traité dans le cas du bassin du Merguellil puisqu’il simule lesécoulements superficiels et souterrains, et que sa fonction de production de type conceptuelnous permettrait de prendre en compte les aménagements de conservation des eaux et des solsimplantés dans ce bassin depuis plus de trois décennies.

Cette étude va concerner une période de 28 ans (1970-1998) sur laquelle nous allons essayerd’estimer les différents éléments du cycle de l’eau. L’année 1970 a été ainsi choisi commeréférence pour laquelle une reconstitution du régime initial d’écoulement en aquifères seraeffectuée.

La discrétisation de la zone d’étude a été effectuée en trois couches : une couche de surface etdeux couches souterraines correspondant aux nappes phréatique et profonde. Une quatrièmecouche, qui permet d’acheminer latéralement les infiltrations sur les affleurements des grèsoligocènes de Bouhafna vers la nappe profonde, a été rajoutée. La couche de surface a étédiscrétisée en environ 2000 mailles tandis que les couches phréatique et profonde secomposent respectivement de 400 et 600 mailles. Après le maillage, les conditions aux limitesdu système ont été définies. Ainsi les zones d’alimentation et d’exutoire du système ont étéspécifiées.



La répartition spatiale des paramètres de la fonction de production a été effectuée en tenantcompte de l’état naturel du bassin et des principaux aménagements de conservation des eauxet des sols. A partir de l’état naturel cinq zones d’homogène production ont été définies :quatre relatives aux sols et leurs occupations (« croûtes », « forêts », « argiles » et « sables »)et une relative aux affleurements de la principale formation aquifère (Oligocène) du bassin duMerguellil (« affleurements »). Les aménagements ont permis de définir deux zonesd’homogène production, l’une relative aux banquettes, l’autre aux lacs collinaires(« banquettes » et « lacs collinaires »).

Ce chapitre s’est terminé par la prise en compte de la variabilité temporelle des valeurs desparamètres de la fonction de production. Cette variabilité est liée aux changements des étatsde surface induits essentiellement par les aménagements de conservation des eaux et des solsque le bassin du Merguellil a connu depuis trois décennies. Ainsi partant de la chronologied’implantation de ces aménagements CES, huit changements des paramètres ont étéproposés : trois relatifs à la fonction de production « banquettes » et cinq autres relatifs à lafonction de production « lacs collinaires ».

7. Modélisation des écoulements superficiels etsouterrains du bassin du MerguellilLes écoulements du bassin du Merguellil ont déjà fait l’objet de plusieurs études demodélisation. Ces études ont concerné soit les écoulements superficiels, soit les écoulementssouterrains. Parmi les modélisations des écoulements superficiels, en dehors de Elleuch etBen Amor (1998) qui ont tenté une modélisation de l’ensemble du bassin, la plupart destravaux ont concerné des sous bassins. C’est le cas des travaux de Gogien (1998) sur le bassinde Skhira, de Dhaoui (1998) sur le bassin de Zebbes, de Pabiot (2000) et Nasri et al. (2004)sur les sous bassins de deux retenues collinaires situées dans le bassin du Merguellil.

En ce qui concerne les modélisations hydrogéologiques, deux travaux ont été effectués parGribaa (1997) et Baba Sy (1999) et ont concerné respectivement les nappes de Bouhafna etd’Aïn Baïdha. Aucune modélisation intégrale de l’ensemble des ressources souterraines de cebassin n’a donc jamais été tentée.

Ce travail, qui consiste à modéliser l’ensemble des ressources superficielles et souterraines,constitue donc une avancée dans la connaissance des ressources du bassin du Merguellil. Ilconstitue surtout un véritable défi scientifique, étant donné la complexité du cyclehydrologique de ce bassin liée notamment à la disparité spatiale de la pluviométrie,l’interconnexion des écoulements superficiels et souterrains ainsi que les aménagements deconservation des eaux et des sols mis en place dans ce bassin depuis trois décennies.

Le chapitre précédent ayant été consacré à la présentation du modèle d’écoulement utiliséainsi qu’à la discrétisation du domaine d’étude, nous allons dans ce qui suit entamer lamodélisation proprement dite des écoulements de ce bassin.

Nous commencerons par une reconstitution de l’état initial du régime souterrain. Ensuitedivers calages (monocritères et multicritère) effectués en régime transitoire seront présentés.Les séries optimales des paramètres seront alors choisies et utilisées pour reconstituer leséléments du bilan hydrologique qui seront après analysés. Une étude de l’impact de la prise encompte des ouvrages de conservation des eaux et des sols dans la modélisation sera effectuéeet nous terminerons par une étude statistique des éléments du bilan pour tenter d’expliquer lesraisons de la baisse constatée des écoulements du bassin du Merguellil pendant la dernièredécennie.

7-1- Reconstitution de l’état initial du système souterrain7-1-1- Procédure de calage

La procédure classique de calage des modèles hydrogéologiques, qui consiste à faire varier lesvaleurs des transmissivités jusqu’à l’obtention d’une piézométrie calculée proche de celleobservée, a été utilisée. Quelques centaines de passages d’essai des transmissivités ont étéainsi effectués pour essayer d’approcher la carte piézométrique construite à partir desmesures. Un autre objectif était d’approcher quelques estimations obtenues dans des travaux

Chapitre VII : Modélisation des écoulements superficiels et souterrains du bassin du Merguellil

Thèse de Doctorat en Génie Hydraulique (LMHE, IRD et CIG)) 135

antérieurs sur la communication du système avec ses environs. Notamment la communicationentre le système et la plaine de Kairouan à travers le seuil d’El Haouareb (Cheib, 1988 ; BabaSy, 1999 ; Nazoumou, 2002), les sources de l’oued Zeroud (Baba Sy, 1999), celles duCherichira (Besbes, 1967) et celles d’Iktifet El Omrane (Gribaa, 1997). L’identification dusystème souterrain à l’état initial a ainsi abouti à des valeurs de transmissivités qui variententre 10-3 et 10-4 m2/s pour la nappe phréatique, et entre 10-2 et 10-3 m2/s pour la nappeprofonde. Ces variations cadrent bien avec les quelques mesures de transmissivités effectuéesdans la zone d’étude (annexe 3).

7-1-2- Diagnostic

Les cartes piézométriques issues du calage ont été exportées vers le Système d’InformationGéographique Arc View pour être comparées avec celles issues de l’interpolation à partir despoints de mesure. Il apparaît que l’allure piézométrique globale observée est assez bienrestituée, malgré quelques écarts constatés dans certaines zones (Figure 7.1 et Figure 7.2).

Figure 7.1 Comparaison des cartes piézométriques initiales (1970) de la nappe phréatique :(a) calculée à partir des mesures et (b) simulée par le modèle.Les piézométries des zones d’entrées et des exutoires sont bien restituées. Pour les deuxnappes nous aboutissons à des cartes assez proches de celles obtenues par les mesures dansles différentes zones (Figure 7.1 et Figure 7.2).

Pour la nappe phréatique, nous avons dans la zone d’El Ala une convergence des écoulementsvers l’oued Zebbes qui est assez bien reconstituée par la piézométrie simulée. Dans la zoned’Aïn Baïdha (Figure 7.1), la convergence des écoulements vers les oueds Merguellil etZeroud a été aussi assez bien reconstituée par le modèle. Dans la zone de Haffouz la



reconstitution est moins bonne. Malgré une bonne reconstitution des sens d’écoulements(essentiellement vers l’oued Merguellil situé au Sud et au Sud-Ouest de Haffouz), la courbeisopièze 300 m reconstituée par le modèle est située légèrement plus haut que celle issue desmesures (Figure 7.1).

Pour ce qui concerne la nappe profonde, les piézométries dans la zone de Bouhafna et d’AïnBaïdha ont été les mieux reconstituées (Figure 7.2). La piézométrie dans la zone de Cherichiral’a été moins bien avec la courbe piézométrique 250 m calculée par le modèle légèrementdécalée vers la gauche que celle obtenue par les mesures (Figure 7.2). Nous n’y avons pasaffiné le calage étant donné le très petit nombre de mesures qui s’y trouve. En effet la Figure4.14 montre que dans cette zone nous ne disposons que de 4 points d’observation.

Figure 7.2 Comparaison des cartes piézométriques initiales (1970) de la nappe profonde : (a)calculée à partir des mesures et (b) simulée par le modèle.Tableau 7.1 Sorties par les sources de la nappe profonde du bassin du MerguellilSource Cherichira Iktifet El Omrane Zeroud Seuil d’El HaouarebDébit drainé (l/s) 8 22 0.06 82

A partir de ce calage, nous avons effectué un bilan du système souterrain du bassin duMerguellil. Ce bilan montre qu’à l’état initial les ressources sont estimées à 875 l/s (Figure7.3). La moitié de ces ressources s’infiltre équitablement sur la nappe phréatique et lesaffleurements oligocènes de Bouhafna alors que l’autre moitié s’infiltre par les piedmonts desprincipaux djebels (Ouesslat, Trozza, et Touila). 17% des ressources sont exploités par lespompages dont la quasi-totalité concerne la nappe profonde. Le reste sort du système par lesdrains des rivières et des sources. Les percolations par le seuil d’El Haouareb se taillentévidemment la plus grande part dans les sources (Tableau 7.1) alors que plus des deux tiersdes sorties s’effectuent par les oueds dont, bien sûr, le Merguellil est le plus important drain



(Tableau 7.2).

Figure 7.3 Bilan en eau des systèmes aquifères du bassin du Merguellil en 1970Tableau 7.2 Drainage de la nappe phréatique par les oueds du bassin du MerguellilOued Zebbes Ben Zitoune Zeroud MerguellilDébit drainé (l/s) 48 53 112 396

L’infiltration des eaux de l’oued Merguellil, lors de leur passage sur les affleurementsoligocènes de Bouhafna, a été estimée à 30 l/s (Figure 7.3).

7-2- Procédure de recherche des séries optimales des paramètresen régime transitoirePlusieurs auteurs (Sorooshian et Gupta, 1983 ; Duan et al., 1992 ; Beven, 1993 ; Freer et al.,1996 ; Beven, 2000) ont montré que la procédure conventionnelle de calage, qui consiste àobtenir une seule série optimale des valeurs des paramètres, admettait quelques limites. Il aété ainsi montré que pour une série de mesures, on peut trouver plusieurs séries de paramètresqui conduisent à une solution acceptable selon l’objectif fixé.

L’expérience montre aussi que les régions de l’espace des paramètres correspondant à debonnes simulations peuvent changer si on considère des données des périodes ou desemplacements différents. C’est pour cette raison que nous avons eu recours à une approchequi consiste à chercher plusieurs séries de paramètres qui satisfont aux critères fixés de calagedu modèle.

7-2-1- Paramètres de la fonction de production

La fonction de production comporte sept paramètres (Figure 6.2). Les trois premiersparamètres (CRT, DCRT et FN) ont été spatialement distribués avec des valeurs différentessur les six premières fonctions de production définies plus haut. Pour la septième fonction deproduction, concernant les aménagements en lacs collinaires, les valeurs des paramètres CRTDCRT et FN ont été fixées conformément aux constatations sur leur fonctionnement : leruissellement des superficies drainées par ces ouvrages ne participe pas à l’écoulement à



l’aval. Ainsi, puisque 50% d’exploitants n’ont pas encore introduit l’irrigation dans leurpratiques culturales et que seulement 22% des paysans pratiquent la petite irrigation (Albergelet al., 2001), la quasi totalité du volume d’eau de ces ouvrages se perd par évapotranspirationqui est très élevée dans ce contexte climatique. Pour cette fonction de production, les valeurssuivantes de ces paramètres (CRT=5000, DCRT=2000 et FN=25), qui font que la totalité despluies qui tombent sur ses zones se perd par évapotranspiration, ont été définies.

Les valeurs des quatre autres paramètres qui définissent la façon dont les quantités infiltrées(QIMAX, CQI) et ruisselées (QRMAX et CQR) s’écoulent ont été préalablement définies àpartir d’une étude de sensibilité des paramètres de la fonction de production. Pour QRMAX etCQR, cette étude a permis de sélectionner les valeurs qui respectent la nature rapide desécoulements des régions semi-arides méditerranéennes et pour QIMAX et CQI, les valeursqui aplatissent l’hydrogramme d’infiltration ont été sélectionnées. Ces quatre paramètres ontdonc été considéré comme constants sur l’ensemble du domaine (QRMAX=2, CQR=0.8,QIMAX=10, CQI=0.2).

7-2-1-1- Domaine de variation des paramètres CRT, DCRT et FN

Les valeurs des paramètres CRT et DCRT retrouvées dans la littérature varient généralemententre 0 et 150 mm pour les modèles élaborés dans les régions tempérés (Tableau 7.3). Cesvaleurs peuvent augmenter et atteindre presque 300 mm dans les régions sahéliennes (GoulaBi Tié, 1993). Comme l’évapotranspiration réelle augmente avec les valeurs de cesparamètres et qu’il est connu que cet élément du cycle de l’eau est très important dans la zonesemi-aride étudiée ici, il a été considéré une limite supérieure égale à 500 mm pour être sûr debalayer tout le champ de variation de ces paramètres. Pour le paramètre FN, son domaine devariation est compris entre 0 et 25 mm, valeurs qui cadrent avec ceux qui ont été utiliséesdans la littérature (Tableau 7.3).

Tableau 7.3 Valeurs des paramètres CRT, DCRT et FN issues de la littératureRéférences

Girard et al. (1981) Goula Bi Tié (1993) Golaz-Cavazzi (1999)

Bassin de la Haute Lys (France) Bassin du Massilli (Burkina Faso) Bassin du Rhône (France)Paramètres

Min Moyen Max Min Moyen Max Min Moyen Max

DCRT (mm) 10 28 100 10 16 20 5 37 50

CRT (mm) 50 80 150 150 240 270 10 81 110

FN (mm) 10 22 30 3 9 16 0 10 20

A chaque simulation l, treize variables uniformes sont générées : (U1kl, U2kl, U3l), k=1,6.U1kl et U2kl sont générées dans [0-500] ; Pour les fonctions de production (k=1,6)CRTkl=U1kl, DCRTkl=U2kl. Toutefois il y a une contrainte à respecter par les tirages (U1kl> U2kl). Si cela n’est pas le cas, U2kl est de nouveau tirée au hasard. U3l est générée dansl’intervalle [1-4] et permet d’avoir la variable indicatrice Il (Il étant une valeur entière deU3l). A chacune des six fonctions de production a été affecté un indice Pk égal au numéro dela fonction de production diminué de l’unité (0-5). Alors, il a été considéré que FNkl= Pk*Il.Ainsi, les valeurs admises de FN sur ces fonctions sont comprises entre 0 et 20 mm.



7-2-1-2- Génération stochastique des paramètres CRT, DCRT et FN

Dix milles jeux de paramètres du modèle Modcou ont été ainsi générés (l=1,10000) aveclesquels une reconstitution des débits et des piézométries observés dans la région d’étude a ététentée. La Figure 7.9 montre l’ensemble des valeurs des paramètres CRT et DCRT généréespour les six fonctions de production.

La méthodologie utilisée ressemble à l’approche GLUE (Generalised Likelihood UncertaintyEstimation) qui est une méthode basée sur la technique de Monte Carlo et qui permet decombiner les informations de plusieurs séries d’observations par une approche bayésienne envue d’estimer l’incertitude sur les simulations (Binley et Beven, 1991).

7-2-2- Paramètres du modèle d’écoulement en zone saturée

Les transmissivités d’une part, la porosité de drainage et le coefficient d’emmagasinementd’autre part constituent les seuls paramètres de l’écoulement en zone saturée. Lestransmissivités ont été estimées à partir des mesures issues des essais de pompage effectuésaprès l’exécution de chaque sondage et des campagnes de pompages effectuées sur les puitsde surface. De façon générale, une forte disparité des transmissivités a été constatée entre lesdifférentes zones du bassin et la nappe phréatique a une transmissivité en moyenne dix foismoins importante que celle de la nappe profonde dont les transmissivités varient entre 3.10-2

et 2.10-4 m2/s. La nappe phréatique admet des valeurs de la porosité efficace comprises entre0.1 et 0.3 alors que les coefficients d’emmagasinement, calculés à partir des essais depompage de longue durée effectués sur plusieurs sondages de la nappe profonde, admettentdes valeurs comprises entre 10-3 et 10-5.

Les transmissivités ont été calées en régime de référence par essai erreur dans la sectionprécédente (annexe 3) tandis que les coefficients d’emmagasinement l’ont été dans cettesection (annexe 4).

7-2-3- Paramètres de l’échange nappe-rivière

Le coefficient TP est le seul paramètre des échanges nappe-rivière. Il est homologue à unetransmissivité et reflète l’état de colmatage du lit de la rivière. Sa valeur a été déterminée parcalage manuel et est comprise entre 10-3 et 5.10-3 m²/s. Il a été pris égal à 10-3 m²/s pour lesmailles rivières de l’oued Zebbes et 5.10-3 m²/s pour les mailles rivières des autres oueds (BenZitoune, Merguellil, et Zeroud) en liaison avec la nappe phréatique. Le modèle est trèssensible à ce paramètre. En effet, des essais de variation des valeurs de ce paramètre(augmentation ou diminution) ont montré une nette détérioration des performances du modèleà l’état initial.

7-3- Calage monocritère basé sur la reconstitution de l’historiquepiézométriqueDans un premier temps, nous avons considéré les simulations qui donnent les meilleures



valeurs du critère « Erreur absolue » dans la comparaison des piézométries mesurées etcalculées aux piézomètres des différentes nappes. Ce critère représente le cumul de la valeurabsolue de l’erreur et est particulièrement adapté pour les données piézométriques. La Figure7.4 montre que la valeur du critère est inférieur à 3 m dans les zones d’Aïn Baïdha (Figure7.4a), Cherichira (Figure 7.4d) et Haffouz (Figure 7.4c) et ce pour la quasi-totalité des 10000jeux de paramètres. Par contre, il atteint des valeurs très importantes (Figure 7.4b et Tableau7.4) dans la zone de Bouhafna où sa valeur maximum calculée est d’environ 50 m.

Le critère numérique « Expo » n’a pas été considéré dans la sélection des simulations parcequ’il a été montré que sa robustesse n’est pas assurée dans la comparaison des variables quivarient peu. En effet, les piézomètres des nappes d’Aïn Baïdha (Figure 7.4a) et de Haffouz(Figure 7.4c) qui n’ont pas enregistré de forts rabattements ont enregistré des valeurs ducritère Expo n’excédant pas 0.5, alors que ceux de Bouhafna (Figure 7.4b) et Cherichira(Figure 7.4d) ont des critères proches de 1.

Figure 7.4 Critères de performance piézométrique du modèle calculés pour 10000simulations

Tableau 7.4 Caractéristiques statistiques du critère « Erreur absolue » calculées pour lesdifférentes nappes du bassin du Merguellil

Valeurs du critère «erreur absolue» pour les 10000 simulationsNappes

Minimum 1er quartile Moyenne Médiane 3ème quartile Maximum

Aïn Baïdha 0.76 1.25 1.28 1.31 1.34 4.35

Bouhafna 1.34 3.59 4.50 4.66 5.15 48.47

Cherichira 1.10 1.11 1.16 1.12 1.16 4.50

Haffouz 1.07 2.22 2.29 2.38 2.43 7.34



Figure 7.5 Comparaison des piézométries mensuelles mesurées et calculées (par 46 jeux deparamètres sélectionnés par le calage monocritère basé sur la piézométrie) sur quatre pointsreprésentatif des aquifères du bassin du Merguellil

Figure 7.6 Box Plots du pourcentage de piézomètres dont le critère « Erreur absolue » estinférieur à un seuil, et ce pour les 46 meilleures simulations qui reconstituent la piézométrie.

Nous avons choisi les simulations dont le critère « Erreur absolue » n’excède pas le premierquartile dans toutes les nappes, c’est ainsi que les valeurs limites de 1.1, 1.25, 1.75 et 2.5 ontété considérées respectivement pour les nappes de Cherichira, Aïn Baïdha, Haffouz etBouhafna (Tableau 7.4). Ces critères nous ont permis de sélectionner 46 jeux de paramètresdont les résultats sont représentés sur la Figure 7.5. Une bonne reconstitution des niveaux



piézométriques observés est obtenue sur l’ensemble des piézomètres, à la fois dans les zonessurexploitées telle que Bouhafna (Figure 7.5c) et dans les zones les moins sollicitées tellequ’Aïn Baïdha (Figure 7.5a). Sur le plan local, la Figure 7.6 montre que la quasi-totalité despiézomètres donnent en moyenne une valeur du critère « erreur absolue » inférieure à 4 mtandis que 93% et 66% des piézomètres donnent la valeur de ce critère inférieurrespectivement à 3 et à 2 m.

Figure 7.7 Comparaison des débits mensuels mesurés et calculés (par 46 jeux de paramètressélectionnés sur la base du critère piézométrique) aux stations hydrométriques du bassinversant du Merguellil et pour les périodes 1978-1982 et 1986-1990Les résultats de ces 46 meilleures simulations, en ce qui concerne les débits des cours d’eau,sont présentés sur la Figure 7.7. Ils concernent la période 1978-1982, qui est comprise dans



une séquence considérée comme déficitaire dans l’historique pluviométrique récente, et lapériode 1986-1990 qui comprend l’année hydrologique (1989/90) la plus pluvieuse des troisdernières décennies en Tunisie centrale (Kingumbi et al., 2001).

Tableau 7.5 Débits moyens des cours d’eau (m3/s) et critères « EXPO » pour les 46simulations sélectionnées

Critère Critère EXPO Moyennes (1978-1982) Moyennes (1986-1990)

Période 1978-1982 1986-1990 Mesurées Calculées Mesurées Calculées

Skhira 0.644 0.088 0.115 0.078 0.093 0.097

Haffouz 0.088 0.409 0.316 0.460 0.487 0.609

Sidi Boujdaria 0.335 - 0.677 0.816 - -Sta

tions

El Haouareb - 0.001 - - 1.460 2.864

Ces résultats montrent une bonne reconstitution de la dynamique des débits observés surtoutes les stations du bassin versant du Merguellil en partant de l’amont vers l’aval (Figure7.7). Les petits évènements sont bien reconstitués tandis que les plus importants, malgré unebonne restitution de leur dynamique, ont toujours les pointes surestimées par le modèle. Cecise distingue particulièrement pour les crues de Février 1990 qui ont été systématiquementsurestimées par le modèle sur toutes les stations hydrométriques (Figures 7.7b, 7.7d et 7.7f) cequi a pour conséquence directe une faible valeur du critère Expo (Tableau 7.5). Cependant, lesvaleurs moyennes sur ces périodes sont sensiblement proches sur toutes les stations, en dehorsd’El Haouareb dont la moyenne n’a été calculée que sur un nombre très limité de valeurs. LaFigure 7.8 montre à quel point les valeurs du critère EXPO calculées sur l’ensemble de lapériode et aux différentes stations hydrométriques sont médiocres.

Figure 7.8 Box Plot des valeurs du critère « EXPO » calculées aux différentes stationshydrométriques à partir des 46 meilleures simulations de la reconstitution piézométrique.L’analyse des paramètres montre qu’en dehors de la fonction de production « Argiles », lesvaleurs des paramètres CRT et DCRT des 46 simulations couvrent tout le domaine de



variation de ces paramètres (Figure 7.9). En effet, pour cette fonction, les valeurs duparamètre DCRT sont toutes inférieures à 200 mm. En ce qui concerne le paramètre FN, nousconstatons que les jeux de paramètres sélectionnés couvrent tout le domaine de variation. Il nese dégage donc pas une région privilégiée des valeurs des paramètres CRT, DCRT et FN.

Les simulations qui reproduisent le mieux possible la piézométrie n’ayant pas abouti à desrésultats satisfaisants en ce qui concerne les débits, nous investiguons dans la sectionsuivante, les simulations qui reproduisent le mieux possible les débits et leur incidence sur lapiézométrie.

Figure 7.9 Visualisation des valeurs des paramètres des 46 simulations présentant lesmeilleurs critères « Erreur absolue » sur la piézométrie.

7-4- Calage monocritère avec l’historique hydrométriqueDans cette partie nous avons essayé de faire une reconstitution monocritère basée surl’hydrométrie. Nous avons commencé par rechercher des solutions qui donnent le meilleurcritère « expo » relatif aux débits observés aux différentes stations hydrométriques du bassindu Merguellil. Ensuite, la recherche des solutions qui donnent un meilleur « critère global »calculé à partir de toutes les données hydrométrique a été considérée.

7-4-1- Reconstitution des débits aux différentes stations hydrométriques

Le critère numérique « Expo » calculé pour chacun des dix mille jeux de paramètres générésaléatoirement et pour la reconstitution des données hydrométriques aux différentes stations estcompris entre 0 et 0.9. La Figure 7.10 donne la distribution de ce critère à chacune desstations hydrométriques. Elle montre que les valeurs extrêmes du critère expo (inférieures à0.3 et supérieures à 0.8) ne représentent qu’une portion faible des simulations générées. Plusde 80% de ces simulations ont une valeur du critère comprise entre 0.3 et 0.8. D’autre part, onremarque que les critères calculés avec les données de la station d’El Haouareb sont meilleursque ceux des autres stations hydrométriques. La distribution de cette station présente toujours



une valeur du critère numérique « expo » meilleure pour une même probabilité au nondépassement. Les autres stations ont des distributions qui présentent des allures assez proches(Figure 7.10). A titre d’exemple la fréquence cumulée de 0.8 correspond à une valeur ducritère « Expo » égale à 0.63 pour la station d’El Haouareb alors qu’elle est comprise entre0.46 et 0.52 pour toutes les autres stations hydrométriques. Cette constatation confirme celleobservée dans les données hydrométriques qui montrait que les apports issus du bilan dubarrage d’El Haouareb présentaient un meilleur synchronisme avec les donnéespluviométriques que ceux des autres stations hydrométriques.

Figure 7.10 Distribution des valeurs du critère « Expo » calculées au niveau des stationshydrométriques et pour les dix mille jeux de paramètres générés.

Partant du nombre de simulations obtenu dans la reconstitution des données piézométriques,nous avons considéré, dans ce qui suit, le même nombre (environ 50) de jeux de paramètresqui donnent une meilleure reconstitution des données hydrométriques à chacune des stations.

7-4-1-1- Station hydrométrique de Skhira

Les 50 jeux de paramètres qui donnent les meilleurs critères EXPO à la station de Skhira ontété sélectionnés. Ils donnent des critères dont les valeurs sont comprises entre 0.70 et 0.73(Figure 7.11a). Ces jeux de paramètres donnent des valeurs relativement bonnes du critèreEXPO aux stations d’El Haouareb, Haffouz et Sidi Boujdaria. En effet la moyenne de cecritère est supérieure à 0.6 à toutes ces stations et même dépasse 0.7 à El Haouareb. Par contreà la station de Zebbes, les critères calculés pour ces 50 simulations sont tous médiocres. Eneffet les valeurs de ces critères varient entre 0 et 0.3.



7-4-1-2- Station hydrométrique de Haffouz

Les 50 meilleurs jeux de paramètres à la station de Haffouz donnent les valeurs du critèreEXPO comprises entre 0.63 et 0.65 (Figure 7.11c). Ces simulations donnent les valeurs de cecritère meilleures aux stations d’El Haouareb et de Skhira avec les moyennes qui sontrespectivement de 0.8 et 0.7. Inversement, aux stations de Sidi Boujdaria et Zebbes, lesvaleurs de ce critère calculées pour ces jeux de paramètres sont inférieures. Leur moyenne estcomprise entre 0.5 et 0.6 pour la station de Sidi Boujdaria et inférieure à 0.5 pour la station deZebbes. On peut aussi remarquer que, contrairement aux autres stations hydrométriques, àZebbes les valeurs du critère EXPO calculées à partir de ces simulations sont meilleuresmalgré leur plus grande dispersion. En effet les valeurs du premier et troisième quartile de cecritère sont égales respectivement à 0.2 et 0.6.

Figure 7.11 Box Plot des valeurs du critère de performance EXPO calculées pour les 50meilleurs jeux de paramètres sélectionnés aux différentes stations hydrométriques etcomparaison avec les critères correspondant aux autres stations : (a) Skhira, (b) Zebbes, (c)Haffouz et (d) Sidi Boujdaria.

7-4-1-3- Station hydrométrique de Zebbes

Les 50 meilleures simulations à Zebbes donnent les valeurs du critère EXPO proches de 0.8(Figure 7.11b). La validation sur d’autres stations hydrométriques donne des valeursinférieures : une moyenne de 0.75 à El Haouareb, une moyenne d’environ 0.6 à Haffouz etSkhira, et une moyenne inférieure à 0.5 à Sidi Boujdaria.

7-4-1-4- Station hydrométrique de Sidi Boujdaria

Les 50 simulations sélectionnées à la station de Sidi Boujdaria donnent les valeurs du critèreEXPO comprises dans l’intervalle [0.69-0.71] (Figure 7.11d). Leur validation sur d’autres



stations hydrométriques donne des valeurs médiocres. En effet, la moyenne des valeurscalculées pour ce critère est partout inférieure à 0.5. D’autre part, en validation sur d’autresstations, les critères calculés sont très dispersés entre 0 et 0.7.

7-4-1-5- Station d’El Haouareb

Les simulations sélectionnées au barrage d’El Haouareb ont toutes le critère EXPO supérieurà 0.8 (Figure 7.12). En validation sur d’autres stations, les critères calculés sont tousinférieurs. Ils sont en moyenne supérieurs à 0.6 aux stations de Haffouz, Skhira et Zebbes.Alors qu’à la station de Sidi Boujdaria la moyenne des ces critères est inférieur à 0.5. Commeles simulations sélectionnées à la station hydrométrique de Haffouz, celles d’El Haouarebprésentent des valeurs du critère EXPO meilleures mais dispersées en validation sur la stationde Zebbes. En effet sur cette station la différence entre les valeurs du critère EXPO calculéesentre le premier et le troisième quartile est de 0.3.

Figure 7.12 Box Plot des valeurs du critère de performance EXPO calculées pour les 50meilleurs jeux de paramètres sélectionnés à El Haouareb et comparaison avec les critèrescorrespondant aux autres stations hydrométriques.

7-4-1-6- Conclusion

On peut conclure que globalement les simulations sélectionnées en calage monocritère etmono site pour toutes les stations hydrométriques aboutissent à des résultats satisfaisants.Deux choix sont alors possibles dans la prise de décision en ce qui concerne quellessimulations considérées dans la reconstitution des données hydrométriques : on peut prendresoit une station de référence soit faire de la pondération entre les stations. Vu que les stationsde Zebbes et Sidi Boujdaria sont sujettes à beaucoup d’incertitudes, si on devait choisir unestation de référence, elle devrait être l’une des trois : Skhira, El Haouareb ou Haffouz. Lesrésultats produits par Haffouz et Skhira se recoupent, en effet les critères produits à ces



stations sont relativement les mêmes dans l’un ou l’autre calage. Cependant, les simulationssélectionnées pour Haffouz seraient meilleures parce qu’elles sauvegardent Zebbes parrapport à ceux de Skhira même si elles produisent un critère légèrement inférieur par rapport àSidi Boujdaria. El Haouareb se comporte comme Haffouz en produisant des critères encoremeilleur à Zebbes et en diminuant les performances de Sidi Boujdaria. Etant donné cettecomplexité, nous avons fait le choix de faire une pondération des stations, dans la sectionsuivante, en utilisant le critère global présenté par l’équation 1.4. Cependant les bons résultatsobtenus en validation sur les stations présentant les plus longs historiques (Haffouz et Skhira)et à l’exutoire du bassin du Merguellil (El Haouareb) montrent une plausible applicabilité dela méthodologie développée pour la reconstitution des débits en bassins non jaugés de laTunisie centrale.

7-4-2- Reconstitution globale des données hydrométriques

Partant du fait que chaque calage en mono site aboutit à un ensemble de jeux de paramètresdifférents, nous nous proposons de pondérer ces stations en utilisant un « critère global » (éq.1.4) pour reconstituer les données hydrométriques mesurées à toutes les stations : calagemultisite. Pour cela les pondérations (Wj) ont été estimées en fonction de la durée desobservations à chaque station hydrométrique (Tableau 7.6). Ces pondérations cadrentd’ailleurs avec les résultats du paragraphe précédent, puisqu’elles accordent plus de poids auxstations de Haffouz et Skhira qui ont affiché une certaine stabilité dans leurs calagesmonocritères.

Tableau 7.6 Coefficients (Wj) affectés aux différentes stations hydrométriques pour calculerle « critère global » en monocritère et en multisite.

Station Bassin (km²) Période observée Nombre d’années Poids (Wj)Skhira 193 1974-1998 24 0.320

Haffouz 663 1970-1998 28 0.374

Zebbes 181 1996-1998 2 0.026

Sidi Boujdaria 897 1974-1986 12 0.160

El Haouareb 1192

Bassin 1

1989-1998 9 0.120

Cherichira 54 Bassin 2 - 0 0.000

Zeroud 79 Bassin 3 - 0 0.000

Total 1325 1970-1998 75 1.000

Les 50 simulations sélectionnées à partir des meilleures valeurs de ce critère donnent desperformances résumées dans la Figure 7.13. Tous ces jeux de paramètres ont un « critèreglobal » égal à 0.66 (Figure 7.13). Ils donnent des valeurs assez importantes du critère EXPOdont la moyenne est proche de 0.8 à El Haouareb et supérieure à 0.6 aux autres principalesstations hydrométriques de ce bassin (Skhira, Haffouz et Sidi Boujdaria). Ces simulationsdonnent cependant des valeurs relativement faibles à la station de Zebbes. On aurait peut-êtrepu améliorer les performances à Zebbes en accordant plus de poids à El Haouareb dont lecalage monocritère (Figure 7.12) a donné des performances assez intéressantes à Zebbes.Cependant, la durée très courte des observations à cette station, deux années seulement,pousse à y relativiser les performances du modèle par rapport aux autres stations.



La reconstitution des données piézométriques avec ces simulations donne des résultats moinsbons (Figure 7.14) que dans le cas de la reconstitution piézométrique (Figure 7.6). En effetnous constatons qu’environ 10% des stations piézométriques enregistrent les valeurs ducritère « Erreur absolue » supérieures à 5 m.

Figure 7.13 Box Plot des valeurs du « critère global » calculées pour les 50 meilleurs jeux deparamètres sélectionnés pour les données hydrométriques, comparaison avec le critère EXPOcorrespondant aux différentes stations hydrométriques.

Figure 7.14 Box Plots du pourcentage de piézomètres dont le critère « Erreur absolue » estinférieur à un certain seuil, et ce pour les 50 meilleures simulations reconstituant les débits.



Par ailleurs, nous constatons en moyenne une diminution, par rapport au calage monocritèrebasé sur la piézométrie, du pourcentage de piézomètres dont le critère « Erreur absolue » estinférieur au seuil de 1, 1.5, 2, 3 et 4 m de respectivement 9%, 8%, 4%, 8% et 8% (Figure 7.6et Figure 7.14). Cependant il faut remarquer que cette perte relativement faible dans lesrabattements s’accompagne par un grain très important relatif à la reconstitution des débits(Figure 8.8 et Figure 7.13).

7-5- Reconstitution multicritère des historiques hydrométrique etpiézométrique7-5-1- Sélection des simulations optimales

Partant du fait que la reconstitution monocritère basée sur les données piézométriques aboutitaux critères médiocres par rapport aux données hydrométriques, et que, malgré une certaineamélioration, le calage monocritère basé sur les données hydrométriques aboutit quand mêmeà des résultas moins bons en ce qui concerne la piézométrie, une tentative de reconstitutionmulticritère et en multisite a été effectuée.

Le calcul d’un critère global (éq. 1.4) d’évaluation des performations du modèle a été proposéavec l’aide de toutes les données : piézométriques et hydrométriques. Les coefficients Wj ontété affectés à chaque station j de telle sorte qu’un poids équitable entre les mesureshydrométriques et piézométriques soit assuré. En ce qui concerne les donnéeshydrométriques, comme dans le calage monocritère basé sur les données hydrométriques, lepoids de chaque station a été défini en se basant sur le nombre d’années d’observations.

Figure 7.15 Distribution des valeurs du « critère global » calculées pour 10000 simulations enutilisant : (a) toutes les données, (b) les débits, et (c) les piézométries.Pour les données piézométriques, les coefficients ont été attribués à chaque station en se



basant sur l’exploitation de chaque nappe. Les coefficients ainsi alloués sont présentés dans leTableau 7.7. Ainsi les piézomètres de la nappe de Bouhafna dont l’exploitation est de loin laplus importante obtiennent les plus grands poids alors que le petit poids est affecté à la petitenappe d’El Ala dont l’extension et les prélèvements sont plus limités.

Nous avons appliqué le critère global ainsi défini en utilisant les débits et piézométriescalculés par les 10000 jeux de paramètres générés aléatoirement. Nous avons obtenu uncritère global n’excédant pas la valeur de 0.70 (Figure 7.15a). Les données piézométriquesutilisées seules (Figure 7.15c) conduisent à un critère global environ 20% supérieur à celuicalculé par les données hydrométriques uniquement (Figure 7.15b). A titre d’exemple, lamédiane de ce critère correspondant aux données hydrométriques est de 0.39 alors que celledes données piézométriques est d’environ 0.59.

Les 50 meilleurs jeux de paramètres en multi objectif donnant un critère global supérieur oùégal à 0.65, nous avons considéré toutes les simulations qui respectent ce seuil, ce qui a donné69 simulations. Les Figures 7.16 et 7.17 représentent les résultats de ces jeux de paramètresrespectivement pour l’hydrométrie et la piézométrie.

Figure 7.16 Box Plot des valeurs du « critère EXPO » aux différentes stationshydrométriques calculées pour les 69 meilleures simulations du calage multicritère.En ce qui concerne les débits (Figure 7.16), nous aboutissons aux résultats assez proches deceux qui avaient été obtenus par le calage monocritère hydrométrique en multisite (Figure7.13), avec cependant une légère baisse de la valeur du critère « Expo » observable à toutesles stations. Cette baisse est en moyenne de 0.02 à El Haouareb, Sidi Boujdaria et Haffouz, etde 0.03 à Skhira. A Zebbes on enregistre en moyenne une hausse de 0.04 dont la portée n’estque symbolique étant donné la faiblesse et la variabilité du critère EXPO à cette station.

Ce résultat est aussi proche de ceux obtenus en calage monocritère et mono site au niveau des



stations de Haffouz (Figure 7.11c) et El Haouareb (Figure 7.12). Par rapport au calagemonocritère basé sur les débits de la station de Haffouz, le calage multicritère donne desperformances légèrement inférieures au niveau des stations de Skhira, Haffouz Zebbes et ElHaouareb (Figure 7.16 et Figure 7.11c). Cependant, ces critères sont relativement meilleurs àla station hydrométrique de Sidi Boujdaria. On aboutit aux mêmes conclusions par rapport aucalage monocritère basé sur les données hydrométriques d’El Haouareb, mis à part le fait quele calage multicritère améliore légèrement les performances à la station hydrométrique deSkhira (Figure 7.16 et Figure 7.12).

Tableau 7.7 Coefficients (Wi) affectés aux différentes stations piézométriques pour le calculdu critère global de performance

Nappe Exploitation (1970-1998) Station Coefficient (Wi)Bir Aïn Majouna 0.006

Bir Belgacem Ben Ali 0.006

Bir Bellouma 0.006

Bir Bou Alleg 0.006

Bir Choubet El Aried 0.006

Bir Djellel 0.006

Bir Snoussi 0.006

Bir Triaa Ben Fredj 0.006

Piézomètre Chouicha 0.006

Piézomètre Idmen El Hassi 0.006

Piézomètre Merguellil 0.006

AIN BAIDHA 85 millions de m3

Piézomètre Sidi Ali Cheib 0.006

Piézomètre KT2 0.050



Piézomètre PC2 0.050

Piézomètre PL2 0.050

BOUHFANA 344 millions de m3

Piézomètre PL1 0.050

CHERICHIRA 57 millions de m3 Piézomètre Cherichira 3 0.051

EL ALA 4 millions de m3 Bir Pépinière El Ala 0.005

Bir El Adhine 0.012

Bir Hir El Assel 0.012

Bir Ouled Bourguiba 0.012

Bir Pépinière Haffouz 2 0.012

Piézomètre Argoub Hajel 0.012

HAFFOUZ 88 millions de m3

Piézomètre Haffouz cassis 0.012

Total 578 millions de m3 Total 0.500

En ce qui concerne la piézométrie, nous obtenons des résultas intermédiaires entre ceux quiont été obtenus par les méthodes monocritères piézométrique (Figure 7.6) et hydrométrique(Figure 7.14). Par rapport à la seconde méthode, nous enregistrons en moyenne un gaincompris entre 1% et 5% du pourcentage de piézomètres dont la valeur du critère « Erreurabsolue » est inférieure à certains seuils (Figure 7.17 et Figure 7.14).



Tableau 7.8 Pourcentage de gain, du « critère global » calculé sur les débits et apporté par lasélection de 16 au lieu de 69 jeux de paramètres

Pourcentage de gain (%)Variable

Haouareb Boujdaria Haffouz Zebbes Skhira

Moyenne Calculée 3 -8 0 50 0

Médiane calculée 1 -3 -2 5 0

Figure 7.17 Box Plots du pourcentage de piézomètres dont le critère « Erreur absolue » estinférieur à un seuil, et ce pour les 69 meilleures simulations de la reconstitution multicritère.

Figure 7.18 Distributions empiriques des débits calculés par les 69 (a) et 16 (b) meilleurs jeuxde paramètres sélectionnés à partir du calage multicritère.En considérant les simulations dont le critère global est strictement supérieur à 0.65 nousavons obtenu seulement 16 jeux de paramètres. La comparaison des résultats obtenus par cesdeux ensembles de jeux de paramètres montre qu’en ce qui concerne les débits nousaboutissons à une légère amélioration des critères calculés (Tableau 7.8). D’autre part, pourles débits nous constatons que les 16 jeux de paramètres reconstituent toute la variabilité des69 jeux de paramètres initialement sélectionnés. En effet, nous aboutissons aux mêmes



distributions empiriques des débits simulés à l’exutoire du bassin du Merguellil avec les 16 et69 meilleurs jeux de paramètres sélectionnés pour un calage multicritère (Figure 7.18).

Tableau 7.9 Pourcentage de gain, apporté par la sélection de 16 au lieu de 69 simulations, depiézomètres où le critère « Erreur absolue » est inférieur à un certain seuil,

Pourcentage de piézomètres où le critère « Erreur absolue » est inférieur au seuil spécifiéVariable

< 0.5 m < 1 m < 1.5 m < 2 m < 3 m < 4 m < 5 m

Moyenne 0 19 4 8 11 4 0

Médiane 0 0 4 0 3 4 0

En ce qui concerne la piézométrie, nous constatons qu’en utilisant 16 simulations nousobtenons un gain substantiel par rapport à l’utilisation de 69 jeux de paramètres. Ce gain estobtenu par comparaison des pourcentages de piézomètres où le critère « Erreur absolue »(calculé entre les données observées d’une part et d’autre part la moyenne et la médianecalculées par les 16 et 69 simulations) est inférieur à un certain seuil (Tableau 7.9). Ce gainest plus conséquent pour les valeurs moyennes calculées (entre 0 et 19%) que pour les valeursmédianes (entre 0 et 4%).

Tableau 7.10 Valeurs numériques du « Critère global » calculées à partir des 16 jeux deparamètres sélectionnés et pour les différentes données mesurées.

Critère numérique « Critère global »N° du jeu deparamètre Global Nappes Haouareb Boujdaria Haffouz Zebbes Skhira

353 0.66 0.74 0.76 0.46 0.58 0.56 0.58

417 0.67 0.68 0.78 0.59 0.63 0.21 0.71

788 0.67 0.70 0.68 0.68 0.59 0.03 0.70

1040 0.69 0.72 0.79 0.55 0.63 0.60 0.68

5316 0.66 0.72 0.71 0.56 0.57 0.39 0.66

5317 0.66 0.72 0.71 0.56 0.57 0.39 0.66

5318 0.66 0.72 0.71 0.56 0.57 0.39 0.66

6324 0.69 0.73 0.78 0.58 0.62 0.24 0.70

6325 0.69 0.73 0.78 0.58 0.62 0.24 0.70

6326 0.69 0.73 0.78 0.58 0.62 0.24 0.70

7210 0.67 0.72 0.76 0.57 0.60 0.02 0.64

7211 0.67 0.72 0.76 0.57 0.60 0.02 0.64

7850 0.66 0.69 0.74 0.58 0.60 0.18 0.70

7851 0.66 0.69 0.74 0.58 0.60 0.18 0.70

8105 0.66 0.71 0.79 0.45 0.61 0.66 0.61

8106 0.66 0.71 0.79 0.45 0.61 0.66 0.61

Moyenne 0.67 0.71 0.75 0.52 0.60 0.31 0.67

Vu que les reconstitutions des 16 sont meilleures que celles des 69 simulations, et que leursdistributions empiriques sont relativement semblables, nous avons décidé de ne retenir que les16 meilleurs jeux de paramètres, dont le « critère global » dépasse le seuil de 0.65 dansl’ensemble de 10000 jeux de paramètres générés. Ces jeux de paramètres sont compris dansles Tableaux 7.10 et 7.11 et les comparaisons de la piézométrie et des débits mesurés etcalculés par le modèle sont comprises dans les Annexes 5 et 6.

Le Tableau 7.10 montre les critères numériques obtenus dans la reconstitution des débits et



données piézométriques. Pour les données hydrométriques, on obtient les meilleures valeurs àEl Haouareb avec une moyenne de 0.75 alors que les faibles valeurs se dégagent à Zebbesavec une moyenne des critères d’environ 0.31. Les données piézométriques donnent unemoyenne des critères numériques de l’ordre de 0.71. En dehors d’El Haouareb, cette valeurest supérieure à toutes les moyennes calculées aux autres stations hydrométriques. Le Tableau7.11 montre qu’en moyenne 65% des piézomètres ont le critère « Erreur absolue » inférieur à2 m et que pour 96% de ceux-ci ce critère est inférieur à 4 m.

Les jeux de paramètres sélectionnés montrent deux comportements différents. En effet deuxsimulations (7210 et 7211) s’écartent de l’allure générale à la fois en ce qui concerne lesdébits et la piézométrie.

Pour l’hydrométrie, on constate que ces deux simulations présentent des débits plus forts àfréquence égale sur la Figure 7.18 qui expose les distributions empiriques des débits calculéspar le modèle. Par ailleurs, ces simulations montrent des critères numériques médiocres dansla reconstitution des données hydrométriques de Zebbes (Tableau 7.10). Pour la piézométrie,la spécificité de ces deux simulations s’observe sur les pourcentages relativement bas depiézomètres ayant le critère « erreur absolue » inférieur aux seuils spécifiés (Tableau 7.11).Le pourcentage de ces jeux de paramètres enregistre une baisse allant de 7 à 27% par rapportà la moyenne de toutes les autres simulations.

Tableau 7.11 Pourcentages de piézomètres où le critère « Erreur absolue » calculé à partirdes 16 jeux de paramètres sélectionnés est supérieur à un certain seuil

Pourcentage de piézomètres où le critère numérique « Erreur absolue » est inférieur à un seuil spécifiéN° du jeu deparamètre < 0.5 m (%) < 1 m (%) < 1.5 m (%) < 2 m (%) < 3 m (%) < 4 m (%) < 5 m (%)

353 12 31 46 58 85 96 96

417 15 27 46 69 85 96 100

788 19 31 50 65 88 100 100

1040 12 27 42 69 88 100 100

5316 12 31 46 69 88 100 100

5317 12 31 46 69 88 100 100

5318 12 31 46 69 88 100 100

6324 12 31 50 69 88 100 100

6325 12 31 50 69 88 100 100

6326 12 31 50 69 88 100 100

7210 4 23 42 42 62 69 73

7211 4 23 42 42 62 69 73

7850 19 35 54 73 88 100 100

7851 19 35 54 73 88 100 100

8105 19 35 58 65 88 100 10

8106 19 35 58 65 88 100 100

Moyenne 13 30 49 65 85 96 96

Eu égard ce qui précède, il serait judicieux de ne pas considérer dans la suite ces deuxsimulations. Mais les résultats fournis par ces simulations représentent un scénario defonctionnement plausible du bassin du Merguellil. Ce n’est pas parce qu’elles s’écartent desdistributions empiriques des débits des autres simulations qu’elles produisent pour autant des



débits erronés. D’ailleurs les critères numériques qu’elles fournissent sont supérieurs à lamoyenne pour les données hydrométriques des stations de Haffouz, Sidi Boujdaria et ElHaouareb (Tableau 7.10). Malgré de grandes fluctuations du niveau piézométrique qu’elleinduisent dans certaines zones du bassin notamment dans les régions d’Aïn Baïdha et de ElAla (Annexe 6), les critères numériques fournis par ces deux simulations sont supérieurs à lamoyenne pour l’ensemble des données piézométriques (Tableau 7.10). Nous avons doncdécidé de garder les simulations 7210 et 7211 dans la suite de cette étude.

La moyenne du critère global de ces 16 jeux de paramètres est de 0.67, les stationspiézométriques enregistrent les meilleurs performances avec une moyenne de 0.71 alors queles débits ont une moyenne 0.61. La station d’El Haouareb a enregistré les meilleuresperformances avec un critère moyen de 0.75. Les stations de Haffouz, Sidi Boujdaria etSkhira obtiennent des performances moyennes avec des valeurs moyennes qui dépassent 0.50alors que la station de Zebbes a enregistré des critères médiocres (Tableau 7.10).

Les performances des jeux de paramètres choisis par rapport aux données piézométriques sontdonnées dans le Tableau 7.11. Ce tableau montre qu’en moyenne 30% des piézomètresdonnent le critère « Erreur absolue » inférieur à 1 m, 65% donnent ce critère inférieur à 2 met que la quasi totalité des jeux de paramètres donnent ce critère inférieur à 5 m. Ceci attesteque les jeux de paramètres choisis reconstituent de façon honorable les piézométriesobservées.

Tableau 7.12 Comparaison des critères calculés à partir de la médiane et de la moyenne desdébits calculés par les 16 jeux de paramètres sélectionnés

Critère numérique « Critère global »Variable

Haouareb Boujdaria Haffouz Zebbes Skhira

Moyenne Calculée 0.81 0.58 0.64 0.42 0.70

Médiane calculée 0.79 0.58 0.62 0.23 0.70

Tableau 7.13 Comparaison des critères calculés à partir de la médiane et de la moyenne despiézométries calculées par les 16 jeux de paramètres sélectionnés

Pourcentage de piézomètres où le critère numérique « Erreur absolue » est inférieur au seuil spécifiéVariable

< 0.5 m < 1 m < 1.5 m < 2 m < 3 m < 4 m < 5 m

Moyenne 15% 50% 62% 77% 96% 100% 100%

Médiane 15% 31% 46% 69% 88% 100% 100%

Nous avons dans la suite considéré la moyenne et la médiane des débits et des piézométriescalculés par les 16 jeux de paramètres choisis que nous avons comparés avec les mesures. Cescomparaisons sont résumées dans le Tableau 7.12 pour les débits et le Tableau 7.13 pour lapiézométrie. D’une façon générale nous trouvons que les critères numériques calculés pour lamoyenne et la médiane des simulations sont meilleurs que la moyenne des critères desdifférents jeux de paramètre. D’autre part, nous remarquons aussi que la moyenne donne desrésultats légèrement meilleurs que la médiane (Tableaux 7.12 et 7.13), ainsi nous allonsutiliser dans la suite la moyenne des valeurs simulées par les 16 jeux de paramètressélectionnés pour l’exploitation des résultats de ce modèle.



7-5-2- Reconstitution des valeurs mesurées

La Figure 7.19 montre que les débits calculés par ces 16 jeux de paramètres restituent bien lespics des débits observés et ce aux différentes stations. Les pics hydrométriques sont ainsimieux reconstitués que dans le cas où seul le critère piézométrique a été considéré dans lasélection des jeux de paramètres optimums (Figure 7.7). Nous remarquons cependant quepour les faibles débits le calage monocritère basé sur la piézométrie (Figure 7.7) sembledonner les meilleures performances que le calage multicritère (Figure 7.19).

Figure 7.19 Comparaison, sur les périodes 1978-1982 et 1986-1990, des débits mensuels (auxdifférentes stations) mesurés et calculés par les 16 jeux de paramètres sélectionnés.



En ce qui concerne la reconstitution des données piézométriques, nous constatons que les 16jeux de paramètres du calage multicritère (Figure 7.20) aboutissent à des résultats aussi bonsque dans le cas d’un calage monocritère basé seulement sur la piézométrie (Figure 7.5). Il estcependant nécessaire de remarquer que le calage multicritère aboutit à une dispersion plusimportante des valeurs simulées par le modèle que dans le cas du calage monocritère. A titred’exemple, le piézomètre Triaa Ben Fredj (Figure 7.20a) situé dans la zone d’Aïn Baïdhamontre que, malgré une moyenne des 16 simulations très proche des mesures, deuxsimulations (7210 et 7211) aboutissent à des valeurs piézométriques qui se dégagent du restedes simulations.

Figure 7.20 Comparaison des piézométries mensuelles mesurées et calculées par les 16 jeuxde paramètres sélectionnés sur quatre points représentatif des aquifères du Merguellil

6-5-3- Distribution des paramètres du modèle

La distribution du critère global dans le plan des paramètres est donnée, pour les dix millesimulations, en Figures 7.21, 7.22 et 7.23. Les deux premières représentent le paramètre FN etrespectivement les paramètres CRT et DCRT, tandis que la dernière donne la représentationdans le plan CRT et DCRT.

La Figure 7.21 montre que, pour les fonctions de production affleurements (Figure 7.21d) etbanquettes (Figure 7.21e), les meilleures simulations ont des valeurs de CRT réparties sur toutl’intervalle de variation (entre 0 et 500 mm). Pour les fonctions forêts (Figure 7.21a) et argiles(Figure 7.21b) les meilleures solutions ont des valeurs de CRT situées respectivement au delà



du seuil de 250 et 100 mm. Pour ce qui concerne la fonction sables, les meilleures solutionsdonnent des CRT situés aux extrémités de l’intervalle de variation (valeurs < 50 mm etvaleurs > 400 mm). En ce qui concerne le paramètre FN, nous remarquons que, pour lesdifférentes fonctions de production, les meilleures solutions couvrent l’ensemble du champ devariation.

La représentation dans le plan FN et DCRT conduit aux mêmes conclusions queprécédemment en ce qui concerne le paramètre FN (Figure 7.22). Pour DCRT il semble queles meilleures solutions se repartissent sur l’ensemble de l’intervalle de variation et ce pour laquasi-totalité des fonctions de production. On peut cependant signaler que pour les fonctionsde production « forêts » (Figure 7.21a) et « argiles » (Figure 7.21b), les meilleurescorrespondent à des valeurs de DCRT inférieures à 50 mm. Ceci est mis en exergue dans lareprésentation du critère global dans le plan des paramètres CRT et DCRT (Figure 7.23). Eneffet sur ces deux fonctions (Figure 7.22b, Figure 7.22c) ainsi que sur la fonction « croûtes »(Figure 7.22a) on constate que les valeurs du critère global sont meilleures dans une régionparticulière correspondant aux valeurs du paramètre DCRT inférieures à 100 mm. Cettevaleur correspond au seuil maximal de DCRT rencontré dans la littérature (Figure 7.24) pourles bassins situées en zone tempérée (bassins du Rhône (Golaz-Cavazzi, 1999) et de la HauteLys (Girard et al., 1981) en France) et pour un bassin situé dans la zone sahélienne africaine(bassin du Massili au Burkina Faso (Goula Bi Tie, 1993)).

Figure 7.21 Représentation du critère global dans le plan des paramètres FN et CRT parfonction de production : (a) fonction « forêts », (b) fonction « argiles », (c) fonction« sables », (d) fonction « affleurements » et (e) fonction « banquettes ».



Figure 7.22 Représentation du critère global dans le plan des paramètres FN et DCRT parfonction de production : (a) fonction « forêts », (b) fonction « argiles », (c) fonction« sables », (d) fonction « affleurements » et (e) fonction « banquettes ».

Figure 7.23 Représentation du critère global dans le plan des paramètres CRT et DCRT parfonction de production : (a) fonction « croûtes », (b) fonction « forêts », (c) fonction« argiles », (d) fonction « sables », (e) fonction « affleurements » et (f) fonction« banquettes ».



Pour les autres fonctions de production (Figures 7.23d, 7.23e, 7.23f) on ne remarque aucunerégion privilégiée dans le champ de variation de ce paramètre. Pour ces fonctions on aboutitaux mêmes constatations pour le paramètre CRT alors que ce dernier affiche les meilleuresvaleurs du critère global dans l’intervalle [200-500] pour les fonctions « croûtes » (Figure7.23a) et « forêts » (Figure 7.23b) et l’intervalle [100-300] pour la fonction de production« argiles » (Figure 7.23c). Ces valeurs cadrent bien avec celles obtenues dans le cas de larégion sahélienne qui sont comprises entre 150 et 270 mm. Elles diffèrent par contre de cellesobtenues dans la zone tempérée dont les valeurs du paramètre CRT sont inférieures à 100 mm(Figure 7.24). Ceci peut s’expliquer par le fait que dans notre zone d’étude et dans la régionsahélienne l’évapotranspiration, qui augmente avec le paramètre CRT, est de loin plusimportante que dans les régions tempérées.

Ces constatations issues de la littérature sur les intervalles de variation des paramètres CRTet DCRT ne cadrent pas cependant avec les valeurs des simulations sélectionnées dans cetteétude. En effet, comme on peut le constater sur la Figure 7.24, les simulations qui donnent lemeilleur critère global ont des valeurs de ces paramètres qui débordent largement lesintervalles des valeurs issues de la littérature. Ceci peut avoir pour origine la différence entreles processus mis en jeu dans la production d’écoulements entre la zone d’étude et les zonesétudiées dans la littérature, la considération d’une solution unique dans les calages de lalittérature et les éventuelles interactions entre les différentes fonctions de productionconsidérées dans cette étude.

Figure 7.24 Comparaison des valeurs des paramètres CRT et DCRT issues de la littérature etcelles issues des 16 et 69 meilleures solutions sélectionnées d’après le calage multicritère.Pour chaque fonction de production, tous les jeux de paramètres générés de façon aléatoire etceux qui présentent un meilleur critère global sont représentés sur la Figure 7.25. Elle montreque la fonction de production « croûtes » a des valeurs du CRT regroupées autour de 400 mm



alors que celles du DCRT sont répandues sur tout le champ de variation de ce paramètre(Figure 7.25a). Ceci indique que cette fonction de production favorise l’évapotranspiration audétriment du ruissellement et de l’infiltration. Ce comportement s’observe aussi au niveaudes fonctions de production « forêts » (Figure 7.25b) et « banquettes » (Figure 7.25f). Lesfonctions de production « argiles » (Figure 7.25c) et « sables » (Figure 7.25d) se retrouventavec des valeurs des paramètres CRT et DCRT dispersées sur l’ensemble du domaine de leurvariation.

La fonction de production « affleurements» (Figure 7.25e) est la seule qui comporte un nuagedes jeux de paramètres sélectionnés regroupé dans une même zone. Les valeurs desparamètres CRT et DCRT de cette fonction sont en général inférieures à 100 mm, ce qui faitque cette fonction favorise plus la production des écoulements (ruissellement et infiltration)que l’évapotranspiration par rapport aux autres fonctions de production.

Figure 7.25 Valeurs des paramètres CRT et DCRT générées aléatoirement et localisations decelles des jeux de paramètres présentant un meilleur critère global pour chaque fonction deproduction : (a) fonction « croûtes », (b) fonction « forêts », (c) fonction « argiles », (d)fonction « sables », (e) fonction « affleurements » et (f) fonction « banquettes ».

7-5-4- Analyse des résidus

L’analyse des résidus fait partie des étapes de contrôle d’un modèle hydrologique. Nousl’avons effectuée pour les données hydrométriques et piézométriques au pas de tempsmensuel.

La représentation des débits mesurés à toutes les stations du bassin du Merguellil en fonctiondes débits calculés est effectuée à la Figure 7.26. Cette dernière montre que le nuage despoints se retrouve autour de la première bissectrice.



Figure 7.26 Débits mesurés en fonction des débits calculés à toutes les stationshydrométriques du bassin du Merguellil

Figure 7.27 Rabattements mesurés en fonction des rabattements calculés à toutes les stationspiézométriques du bassin du MerguellilElle montre ainsi qu’il ne se dessine pas généralement une tendance à la surévaluation ou à lasous-estimation des débits calculés par le modèle comparativement aux débits mesurés.

En ce qui concerne la piézométrie, la représentation des rabattements observés en fonction deceux calculés par le modèle aux différentes stations montre un nuage de points plus regroupéautour de la première bissectrice (Figure 7.27) par rapport à celui obtenu par les débits.



Figure 7.28 Relation entre les résidus et les débits calculés aux différentes stationshydrométriques du bassin du Merguellil : (a) Skhira, (b) Haffouz, (c) Zebbes, (d) SidiBoujdaria et (e) El Haouareb.

A l’exception de la station hydrométrique de Zebbes (Figure 7.28c), sur toutes les autresstations hydrométriques les résidus des débits ne montrent pas de tendance en fonction desdébits calculés par le modèle. Sur les stations de Skhira (Figure 7.28a), Haffouz (Figure7.28b), Sidi Boujdaria (Figure 7.28d) et El Haouareb (Figure 7.28e) le nuage de points se



concentre vers les faibles valeurs de débits calculés (qui constituent l’essentiel du nuage) etmontre une certaine répartition autour de la valeur 0 de l’erreur (débit mesuré - débit calculé).Pour les quelques valeurs importantes de débits calculés on observe une certaine dispersion del’erreur sans toutefois montrer une franche tendance à la sous-estimation ou à la surestimationdes résidus en fonction des débits calculés.

En ce qui concerne la station de Zebbes (Figure 7.28c), on constate une certaine tendance desrésidus en fonction des débits calculés par le modèle. En effet, cette figure montre unetendance à la surestimation des valeurs calculées par le modèle. Cependant, étant donné la trèscourte longueur des observations à ce site (2 années) par rapport aux autres stationshydrométriques du bassin, ce résultat est à prendre avec quelques précautions.

Pour les données piézométriques, si on prend tous les piézomètres confondus, on constate queles résidus ne présentent pas de nette tendance (Figure 7.29). Cependant si nous considéronschaque piézomètre à part, nous constatons que les résidus présentent une certaine tendance enfonction des rabattements calculés par le modèle. Cette tendance peut être vers la sous-estimation ou la surestimation des piézométries calculées selon la station piézométriqueconcernée (Figure 7.30). A titre d’exemple la Figure 7.30c montre une tendance del’augmentation proportionnelle de l’erreur (mesure - calcul) en fonction du rabattementcalculé à Cherichira alors que la Figure 7.30d évolue dans le sens inverse. Par contre lesFigures 7.29a et 7.29b montrent deux tendances successives.

Figure 7.29 Relation entre les résidus et les rabattements calculés à toutes les stationspiézométriques du bassin du Merguellil

Ces tendances dans les résidus des données piézométriques sont dues au fait que pour calculerles piézométries des pas de temps successifs, le modèle part de la valeur précédente. Ceci faitque l’erreur commise à l’étape suivante est influencée par celle de l’étape précédente. Pour



analyser l’auto corrélation des erreurs nous avons représenté l’autocorrélogramme des valeurssimulées par le modèle à la station de KT5 qui présente le plus de données (Figure 7.31a).Elle montre une très forte persistance entre les rabattements successifs, alors que les débitscalculés à la station de Haffouz montrent une indépendance entre les valeurs successives(Figure 7.31b).

Figure 7.30 Relation entre les résidus et les rabattements calculés à quelques stationspiézométriques du bassin du Merguellil : (a) Bir Triaa Ben Fredj (région d’Aïn Baïdha), (b)Piézomètre PL1 (région de Bouhafna), (c) Piézomètre Cherichira III (région de Cherichira), et(d) Bir El Adhine (région de Haffouz).

Figure 7.31 Auto corrélation entre les valeurs mensuelles calculées par le modèle : (a) à lastation piézométrique KT5 et (b) à la station hydrométrique de Haffouz.

7-5-5- Validation des paramètres du modèle

La validation du modèle a été effectuée à une seule station hydrométrique (Haffouz) quidispose d’un historique hydrométrique avant 1970. Elle a consisté à vérifier si les différentsjeux de paramètres sélectionnés reconstituent les évènements exceptionnels de l’année 1969.

Comme entrées du modèle nous avons considéré les données des différentes stationspluviométriques pendant cette période. Pour les écoulements souterrains nous avons considéré



le même état initial que dans la phase de calage, alors que pour les écoulements superficiels,seules les fonctions de production ne tenant pas compte des aménagements ont étéconsidérées (croûtes, forêts, argiles, sables et affleurements). Les variables d’état de cesdernières (R et RNAP) ont été supposées nulles au début des simulations.

Figure 7.32 Comparaison des valeurs mesurées et calculées (au pas de temps de 5 jours) parles 16 jeux de paramètres pendant l’année hydrologique 1969/70.

Figure 7.33 Box Plot des valeurs du critère de performance EXPO calculées (par les 16meilleurs jeux de paramètres sélectionnés) en période de validation sur l’année hydrologiqueexceptionnelle 1969/70 et à la station hydrométrique de Haffouz.

Nous avons reconstitué les débits de cette période à l’échelle journalière à l’aide des 16



meilleurs jeux de paramètres sélectionnés. La comparaison de ces simulations avec lesmesures au pas de temps de 5 jours montre une bonne reconstitution de la dynamique desdébits à la station de Haffouz (Figure 7.32). Malgré des écarts entre les valeurs mesurées etcalculées, on constate cependant que les pointes sont assez bien reconstituées. Les critèresnumériques Expo calculés pour ces 16 jeux de paramètres varient entre 0.43 et 0.65 (Figure7.33). La valeur de ce critère calculé à partir d’une moyenne des débits des 16 simulationsdonne un critère d’environ à 0.60.

Malgré une plus forte dispersion, les valeurs du critère EXPO calculées en validation sontainsi en moyenne proches de celles obtenues en calage à la station de Haffouz (Figure 7.16,Tableau 7.10).

7-6- Application à l’élaboration du bilan en eau du bassin duMerguellilLes résultats précédents nous ont permis d’analyser les éléments du cycle hydrologiquecalculés par le modèle (pour les 16 jeux de paramètres sélectionnés). Nous constatons quel’évapotranspiration constitue de loin l’élément prépondérant du bilan hydrologique desurface (Figure 7.34a). Sur la période étudiée (1970-1998), elle représente environ 92% desprécipitations tombées annuellement sur le bassin du Merguelil. Le ruissellement etl’infiltration représentent des parts très faibles si on regarde le bassin dans son ensemble,respectivement environ 5% et 3% des précipitations.

Figure 7.34 (a) Estimation des éléments du bilan interannuel du bassin du Merguellil sur lapériode 1970-1998 et sa comparaison avec (b) un scénario sans prélèvements dans les nappes.

Le système souterrain a connu un déficit d’environ 16 mm/an. En effet, ses sorties constituéesessentiellement par les pompages (16 mm), le drainage par les rivières (7 mm) et lespercolations vers la nappe de la plaine aval de Kairouan (2 mm) représentent 25 mm alors quel’alimentation du système constituée principalement par l’infiltration ne représente que 8 mm.Ce déficit est dû à une action conjuguée de trois phénomènes : le déficit pluviométrique sur lapériode 1976-1989 (Kingumbi, 2005a), les prélèvements dans le système souterrain, etl’important tarissement consécutif à la hausse du niveau piézométrique liée aux évènementsexceptionnels de 1969. Ce tarissement a été analysé en effectuant les 16 simulationssélectionnées tous pompages annulés. Le bilan obtenu est schématisé sur la Figure 7.34b quimontre que, malgré l’annulation des prélèvements, le système souterrain se retrouve avec undéficit de 9 mm. Par contre, il y a une augmentation conséquente du débit de drainage qui



suggère que le système souterrain fonctionnerait en tarissement pur. Le système est ainsidéficitaire sur l’ensemble de la période (1970-1998), mais ce déficit est surtout concentré surla période 1970-1989, la période 1989-1998 étant caractérisée par un certain rééquilibre entreles entrées et les sorties. Ce qui impliquerait la résorption de l’effet des évènementsexceptionnels de 1969 sur la dernière décennie de la période d’étude.

Figure 7.35 Evolution temporelle des écarts à la moyenne des éléments du bilan superficieldu bassin du Merguellil

Figure 7.36 Evolution temporelle de la lame écoulée simulée aux différentes stationshydrométriques du bassin versant du Merguellil

La Figure 7.35 montre l’évolution temporelle des écarts à la moyenne des principauxéléments du bilan hydrologique du bassin du Merguellil. Elle montre que ces éléments ont



subi l’effet de la même baisse de la pluviométrie annuelle enregistrée entre 1976 et 1989(Kingumbi et al., 2001 ; Kingumbi et al., 2005a). En effet, nous constatons que pour tous ceséléments hydrologiques il y a une période déficitaire (1976-1989) encadrée par deux périodesexcédentaires (1970-1976 et 1989-1998). Les variations temporelles de la pluviométrie et del’évapotranspiration réelle sont ainsi similaires. Ce comportement reste visible au niveau duruissellement et de l’infiltration avec des indices d’anomalies plus marqués par rapport à lapluviométrie et à l’évapotranspiration réelle surtout sur la période 1970- 1976.

Figure 7.37 Lames moyennes (mm) écoulées et simulées aux différentes stationshydrométriques sur les périodes 1970-1977 (souligné) et 1977-1998 (gras)

Il est aussi à remarquer que les années les plus pluvieuses produisent une infiltrationd’avantage plus importante. En effet nous remarquons que l’infiltration de l’année 1989/90,considérée comme la plus pluvieuse de ces 3 dernières décennies, a enregistré un indiced’anomalies (variable centrée réduite) bien supérieur à celui de la pluviométrie (Figure 7.35).La pluviométrie de cette année hydrologique a un indice inférieur à 3 alors que l’indice del’infiltration de la même année est bien supérieur à cette valeur. Ce comportement, quiconsiste en la recharge des systèmes pendant les évènements importants, est caractéristiquedes climats semi-arides. Il a donc été bien illustré dans le cas du bassin de l’oued Merguellil.

La représentation des lames écoulées aux différentes stations du bassin du Merguellil (Figure7.36, Figure 7.37), montre que la partie centrale du bassin est la plus productriced’écoulement (stations de Zebbes, Haffouz et Sidi Boujdaria). Cette partie étant en relationavec les aquifères les plus importants, les écoulements sont renforcés par les débits de base



qui proviennent des nappes.

L’amont du bassin est moins producteur d’écoulement. En effet la comparaison de la lameécoulée à la station de Skhira avec celle de la station de Zebbes, de superficie contrôléevoisine, montre une différence d’environ 10 mm en moyenne (Figure 7.37). Cette différenceserait due au fait que le bassin de Skhira est occupé essentiellement par la forêt qui favorisel’évapotranspiration alors que le bassin du Zebbes, dont l’arboriculture est l’occupationprincipale, favoriserait plus la production d’écoulement au détriment de l’évapotranspiration.On remarque aussi que la partie située entre la station de Sidi Boujdaria et le barrage d’ElHaouareb, produisait moins d’écoulement que la partie centrale (Figure 7.36, Figure 7.37)dans la première partie de la période d’étude (1970-1977). Mais cette tendance s’est inverséevraisemblablement suite à la diminution des apports de base dans la partie centraleconsécutive à la surexploitation de la nappe dans la zone de Bouhafna et au fait que lesapports de la nappe dans la zone d’Aïn Baïdha à l’oued Merguellil et Ben Zitoune dans lapartie aval n’ont pas autant baissé (Figure 7.37).

7-7- Impact de la prise en compte des aménagements sur leséléments du cycle hydrologiquePour justifier la modification des paramètres au cours du temps dans le modèle, nous avonsfait fonctionner le modèle en considérant seulement les cinq fonctions de production initialesqui tiennent compte de la pédologie et de l’occupation des sols. Cela a été fait sur les 10000jeux de paramètres précédemment générés aléatoirement.

La comparaison de la distribution du critère global obtenu à partir de ces simulations aveccelle des simulations précédentes montre que pour une même fréquence les simulations quitiennent compte de l’impact des aménagements produisent toujours un critère meilleur(Figure 7.38). A titre d’indication, la médiane du critère global calculée à partir dessimulations qui tiennent compte des aménagements est égale à 0.49 alors que celle dessimulations qui n’en tiennent pas compte est égale à 0.46. Nous avons donc un gain d’environ3% sur le critère global. La valeur du gain n’est pas très importante, mais ce qui estintéressant c’est que systématiquement à toute fréquence correspond des valeurs du critèrenumérique qui sont meilleures dans le cas des simulations qui tiennent compte desaménagements.

Comme précédemment, nous avons sélectionné les 16 jeux de paramètres qui donnent lemeilleur critère global. Ceci nous a conduit aux mêmes numéros de jeux de paramètres queceux obtenus dans le cas de la prise en compte des aménagements CES. Nous avons ainsiessayé de comparer les valeurs des composantes du cycle de l’eau générées dans les deuxcas : avec et sans prise en compte des ouvrages CES.

Comme on pouvait s’y attendre l’implantation des aménagements a diminué le ruissellement.En effet comme on peut le constater sur la Figure 7.39a, les quantités ruisselées sont toujoursun peu moins importantes dans le cas de simulations avec aménagements que dans le cas des



simulations sans aménagements sur la période 1980-1998 concernée par l’implantation desaménagements. Mais cette diminution est vraiment très faible, elle n’est que de l’ordre de 1%du volume total ruisselé sur la période considérée.

Figure 7.38 Comparaison des distributions du « critère global », calculées en calagemulticritère et pour 10000 simulations qui tiennent compte et pas des aménagements CES.

Figure 7.39 Comparaison de l’impact des ouvrages CES sur les éléments du bilan dans lebassin versant du Merguellil pour : (a) le ruissellement, (b) l’infiltration, (c) l’écoulement et(d) le drainage de la nappe par les oueds.En ce qui concerne l’infiltration nous remarquons que, avec ou sans aménagements, elle estsensiblement la même (Figure 7.39b). On retrouve le même comportement au niveau du



drainage de la nappe par les différents oueds (Figure 7.39d).

Etant donné que l’infiltration reste stationnaire, la faible diminution du ruissellement estcompensée par une augmentation équivalente de l’évapotranspiration réelle. Ainsi,l’utilisation des aménagements a globalement provoqué une légère augmentation del’évapotranspiration. Ceci peut s’expliquer par le fait que nous avons supposé que toutes leseaux des superficies occupées par les lacs et barrages collinaires se perdaient parévapotranspiration. Cette hypothèse qui découle des constatations sur le fonctionnement deslacs collinaires, suppose que cette eau qui ne participe pas aux écoulements à l’exutoire seperd par évapotranspiration.

La diminution du ruissellement constaté sur les simulations avec aménagements se retrouvelogiquement au niveau de l’écoulement qui représente la somme du ruissellement et dudrainage (Figure 7.39c)

7-8- Evolution temporelle de la relation entre la nappe et les eauxde surfaceA l’état initial, nous avons supposé qu’il y avait un certain échange entre les eaux de surfaceet les eaux souterraines. Cette relation a été caractérisée par deux éléments : la communicationentre la nappe phréatique et les différents oueds et les débits provenant des différentes sourcesde la nappe profonde. Nous avons essayé de quantifier la quantité drainée par les différentsoueds sur toute la période d’étude. Nous obtenons globalement que sur la période d’étude, ledrainage de la nappe phréatique par les différentes rivières a baissé de 2/3. Il est passé d’undébit de 600l/s en 1970 à un débit de 200l/s en 1998.

Cette baisse est constatée au niveau de tous les oueds, notamment au niveau de l’ouedMerguellil dont la contribution est deux fois supérieure aux autres oueds. Le drainage de cetoued a subi une considérable baisse consécutive à l’exploitation intensive de la nappeoligocène de Bouhafna pendant les années 1980 (Figure 7.40a). Les autres oueds ont subi unebaisse de drainage consécutive à une baisse de la piézométrie due essentiellement à une faiblepluviométrie. Ainsi l’oued Zebbes a connu une baisse du débit de drainage de la nappephréatique de 15% (Figure 7.40b), 24% pour l’oued Ben Zitoune (Figure 7.40c) et 8% pourl’oued Zeroud (Figure 7.40d). L’oued Merguellil a connu une plus grande baisse, avec unechute de plus de 60% de ses écoulements provenant initialement de la nappe phréatique(Figure 7.40a).

Le flux issu du souterrain pour alimenter l’écoulement de surface n’a pas cessé de baisserdepuis le début des années 1970 (Figure 7.40). Cette baisse est relative à l’augmentation desprélèvements (Figure 4.15, Figure 4.16) qui ont été effectués dans ces nappes. Hervieu (2000)a montré une certaine augmentation de la minéralisation des eaux du Merguellil à la station deSidi Boujdaria depuis le début des années 1970 (Figure 7.41a). Une forte corrélation a étéétablie entre la concentration de ces eaux et le débit drainé de la nappe par les différents ouedsdu bassin Merguellil (Figure 7.41b). Ce résultat permet d’avancer l’hypothèse que



l’augmentation de la minéralisation des eaux de l’oued Merguellil à Sidi Boujdaria pourraitêtre en relation avec la diminution de la contribution des nappes au débit d’étiage de cet oued.

Figure 7.40 Evolution des débits de drainage de la nappe phréatique par les oueds

Figure 7.41 (a) Evolution temporelle de la minéralisation des eaux de l’oued Merguellil à lastation hydrométrique de Sidi Boujdaria et (b) sa comparaison avec les débits drainés desaquifères par les oueds.



Les sources d’Iktifet El Omrane ont tari depuis l’année 1976 (Figure 7.42b). Ce résultatconcorde avec celui obtenu par Gribaa (1997) dans sa modélisation de la nappe oligocène deBouhafna et qui a trouvé que ces sources ont tari depuis 1975. Les sources de Cherichira(Figure 7.42d) ont tari dès la première année du régime transitoire, ce qui est conforme aucomportement piézométrique de cette nappe. Ceci suppose que les eaux de ces sourcesactuellement observées au niveau de l’oued Cherichira proviendraient plutôt de la nappephréatique que de la nappe profonde de l’Oligocène.

Figure 7.42 Evolution des débits des sources provenant de la nappe profonde

Les eaux des sources du Zeroud (Figure 7.42c) provenant de la nappe profonde fluctuent enfonction de la recharge de la nappe profonde. Leurs débits sont très faibles (entre 0 et 3l/s) etsont négligeables par rapport au drainage par l’oued Zeroud de la nappe phréatique.

Les percolations profondes par le seuil d’El Haouareb (Figure 7.42a) ont varié autour de 70l/s.Le modèle montre leur baisse depuis le débit des années 1970 jusqu’à la fin des années 80.Avec les évènements importants du début des années 1990 nous constatons un certain



rehaussement de leur débit qui s’est stabilisé à près de 71l/s. Cette valeur est proche de 90 l/savancés par Baba Sy (1999) mais elle est très loin de 120 l/s utilisés par Nazoumou (2002).

Dans cette modélisation nous avons supposé une certaine alimentation de la nappe profondepar l’oued Merguellil lors de son passage sur les affleurements oligocènes de Bouhafna. Al’état initial (1970), ce débit d’alimentation a été estimé par le modèle à environ 30 l/s. Il s’estaccru avec le temps jusqu’à atteindre une valeur limite de 45 l/s proche de celle fixéepréalablement (50 l/s) et à mesure que le niveau de la nappe profonde diminuait (Figure 7.43)suite aux prélèvements.

Figure 7.43 Evolution de l’alimentation de la nappe profonde par l’oued Merguellil lors deson passage sur les grès oligocènes de BouhafnaCette valeur limite n’a pas évidement été choisie en partant des mesures sur le terrain, mais ilserait intéressant de faire des jaugeages différentiels en période des crues pour s’en assurer.Une campagne de jaugeages différentiels effectuée en période d’étiage par Tchabore (2001) amontré une certaine alimentation de la nappe par le passage des eaux du Merguellil sur lesgrès oligocènes de Bouhafna d’environ 35 l/s.

7-9- Analyse des séries chronologiques reconstituéesL’analyse des séries chronologiques calculées a consisté à détecter d’éventuelles ruptures dela stationnarité. Trois méthodes de détection des changements dans les séries chronologiquesont été utilisées : la méthode bayésienne de Lee et Heghinian (1977), la procédure desegmentation de Hubert et al. (1989) et le test de Pettitt (1979). Les résultats de l’applicationdes ces méthodes sur les séries reconstituées sont compris dans le Tableau 7.14.

Dans la série du ruissellement du bassin du Merguellil, une rupture de la stationnarité a étédétectée par les trois méthodes en 1976. Il semblerait qu’à partir de cette année, leruissellement ait connu une baisse d’une vingtaine de mm entre les périodes 1970-1976 et1976-1998. Une rupture à la même date a été détectée dans la série de l’infiltration mais dontl’amplitude n’est pas aussi significative que celle du ruissellement. Par contre dans la série del’écoulement (ruissellement et débit de base) une rupture de plus grande importance a étédétectée à la même date. Cette rupture n’aurait pas de lien avec les aménagements deconservation des eaux et des sols, puisque la plupart de ces aménagements n’ont commencéque vers la moitié des années 1980. Elle serait plutôt liée à la baisse de la pluviométrieconstatée sur la période 1976-1989 surtout dans les gros évènements (Kingumbi et al.,



2005a). D’ailleurs cette hypothèse est confirmée par l’analyse de la contribution duruissellement dans l’écoulement du bassin du Merguellil qui montre deux ruptures en 1977 eten 1989 (Figure 7.44) : deux périodes durant lesquelles cette contribution est relativementplus importante (1970-1977 et 1989-1998) séparées par une période dans laquelle elle estsensiblement plus faible (1977-1989).

Tableau 7.14 Dates détectées dans les valeurs reconstituées des différents éléments du cyclehydrologique par les méthodes de détection de changements dans les séries chronologiques

Dates détectées par les méthodes de détections deschangementsVariables

Pettitt (1979) Hubert et al. (1989) Lee et Heghinian (1977)

Ruissellement (mm) 1977 (95%) 1976 (1%) 1976 (-24 mm)

Infiltration (mm) 1977 (90%) - 1976 (-4 mm)

Ecoulement (mm) 1977 (99%) 1976 (1%) 1976 (-29 mm)

Drainage de la nappe par les oueds (mm) 1982 (99%) 75-77-79-82-92 (1%) 1978 (-7 mm)

Contribution du drainage dans l’écoulement (%) 1989 (90%) 1977-1989 (1%) 1989 (-13 %)

Contribution du ruissellement dans l’écoulement (%) 1977 (90%) 1977-1989 (1%) 1977 (-22%)

Figure 7.44 Ruptures détectées dans la variable contribution du ruissellement dansl’écoulement

D’autres ruptures ont été détectées dans le débit de drainage de la nappe par les différentsoueds. Le test de Pettitt et la méthode bayésienne ont détecté une rupture respectivement en1982 et en 1978, alors que la procédure de Hubert a détecté plusieurs ruptures en cascadeallant de 1975 à 1992. Une étude de la contribution de ce drainage dans l’écoulement total dubassin a permis de mieux appréhender les ruptures dans cette variable. En effet deux dates deruptures (1977 et 1989) ont été détectées dans cette variable. Elles montrent que deuxpériodes (1970-1977 et 1989-1998) dans lesquelles cette variable est déficitaire encadrent une



période (1977-1989) excédentaire (Figure 7.45). La faiblesse de la contribution du drainagedans l’écoulement dans la première période déficitaire (1970-1977) est essentiellement due àl’importance du ruissellement, alors que la seconde période déficitaire (1989-1998) estessentiellement due à la faiblesse des débits drainés par les oueds. La période excédentaire(1977-1989) correspond à la période où le ruissellement est le plus faible, ce qui a permisd’accroître la contribution du drainage dans l’écoulement durant cette période.

Figure 7.45 Ruptures détectées dans la variable contribution du drainage dans l’écoulement

7-10- ConclusionLe bassin du Merguellil ayant connu une baisse de ses écoulements durant la dernièredécennie nous avons essayé de déterminer l’origine de cette baisse par une approche demodélisation hydrologique qui tient compte de nombreux aménagements de conservation deseaux et des sols mis en place depuis plusieurs décennies.

Le modèle MODCOU, élaboré à l’Ecole des Mines de Paris a été utilisé à cet effet. La versionde ce modèle utilisée dans cette étude fonctionne en « transmissivités ». Cela est bien adaptépour la reconstitution du fonctionnement des nappes captives. Pour les nappes libres, un telmodèle peut être utilisé mais dans des conditions de faibles rabattements. C’est pour cela quenous l’avons utilisé dans le cas des nappes du Merguellil où les forts rabattements n’ontconcerné que la nappe profonde qui est captive dans les zones de Bouhafna et Cherichira.

L’occupation et la nature des sols nous ont permis de définir quatre zones d’homogènesfonctions de production. Une cinquième fonction a été envisagée pour les zonesd’affleurements oligocènes et deux autres pour couvrir les zones concernées par deuxprincipaux aménagements CES implantés dans le bassin du Merguellil depuis la fin desannées 1960. Ces deux dernières ont été modifiées temporellement pour tenir compte desdates d’implantation de ces aménagements.



Le système souterrain du bassin du Merguellil a été d’abord modélisé à l’état initial. Nousavons d’abord choisi une date de référence (l’année 1970) à laquelle une reconstitution dufonctionnement initial du système a été effectuée. Ensuite nous avons présenté les différentesdonnées introduites (transmissivités) en vue de la modélisation ainsi que le processus decalage suivi. Nous aboutissons à une bonne reconstitution de la carte piézométrique issue desmesures dans les différents secteurs de la nappe phréatique et profonde. Dans la zone d’AïnBaïdha, les isopièzes amont, au niveau des piedmonts des principaux dômes (djebels Touila etTrozza), sont bien reconstitués. D’autre part, les sens d’écoulement obtenus à partir desmesures sont aussi proches de ceux calculés par le modèle dans cette zone. Nous aboutissonsaux mêmes résultats dans la zone d’El Ala pour la nappe phréatique et dans la zone deBouhafna pour la nappe profonde. Dans la zone de Haffouz la reconstitution est moins bonne,elle suit cependant l’allure générale des écoulements. Dans la zone de Cherichira qui concernela nappe profonde, nous aboutissons à une bonne reconstitution des conditions aux limites dusystème (le débit des sources dans cette zone ainsi que leur niveau de drainage). Cependantétant donné la faiblesse des mesures dans cette zone nous n’avons pas tenu à affiner le calagepour reconstituer l’allure interpolée à partir des mesures piézométriques dans cette zone.

Le bilan global, obtenu à l’état initial (1970), est d’environ 900 l/s. Plus de 2/3 de ce fluxsortent par les oueds. La moitié du dernier tiers est prélevée par différents pompages tandisque l’autre moitié sort par les différentes sources. La moitié de l’alimentation se fait parl’infiltration au niveau des piedmonts des djebels, un quart par l’infiltration sur lesaffleurement oligocènes de la nappe profonde et le dernier quart par l’infiltration sur lesaffleurements de la nappe phréatique.

La procédure de calage adoptée, en régime transitoire, consiste à générer de façon aléatoire unnombre important de jeux des paramètres, de leur appliquer le modèle et de définir les jeux deparamètres optimums au regard des critères choisis.

Nous avons exécuté le modèle au pas de temps journalier mais son évaluation pour le calculdes critères a été effectuée au pas de temps mensuel. Ce choix de pas de temps a été motivépar le fait que les données piézométriques ont le mois comme le plus petit pas de temps demesure et aussi parce que les données hydrométriques ont donné des critères numériques deperformance médiocres pour des pas de temps inférieurs à un mois.

Pour commencer nous avons choisi une procédure monocritère (en multisite) qui tente dereconstituer les données piézométriques. Cette approche a donné 46 meilleurs jeux deparamètres dont les résultats en ce qui concerne les débits sont médiocres.

Ensuite, un calage monocritère basé sur la reconstitution des débits a été effectué. Ce denier aété effectué sur les données hydrométriques prises dans leur ensemble (calage multisite) et auniveau des données individuelles des stations hydrométriques (calage monosite). Les jeux deparamètres qui donnent les meilleurs critères numériques de ces calages monocritères baséssur les débits ont donné des résultats légèrement moins bons en ce qui concerne la



piézométrie. Nous avons alors choisi d’adopter, un calage multicritère et multisite qui a donné16 jeux de paramètres qui restituent le mieux possible les piézométries et les débits observés.

Les jeux de paramètres ainsi sélectionnés ont été utilisés en validation sur l’annéehydrologique exceptionnelle 1969/70 qui n’a pas été considérée dans le calage. Pour cela uneseule station (Haffouz) disposant du plus grand historique des données, a été utilisée. Les 16jeux de paramètres ont donné une bonne reconstitution de la dynamique des débits observés.Nous avons aussi abouti à des critères numériques proches de ceux obtenus à cette stationdurant la période de calage.

Une application du modèle sans tenir compte des différents aménagements de conservationdes eaux et des sols (banquettes et retenues collinaires) a donné des critères de performancesnettement inférieurs aux critères obtenus en considérant la chronologie d’implantation de cestravaux. Ceci apporte une certaine justification quant à la méthode adoptée dans la prise encompte des travaux CES. Cependant les valeurs du critère de performance (adoptée), obtenuespour les 10000 jeux de paramètres générés, restent relativement faibles. En effet les meilleursjeux de paramètres ont donné des valeurs du critère qui ne dépassent pas 70% desperformances maximales. Ceci peut avoir plusieurs origines dont les hypothèses formulées enentrée du modèle, qui supposent que 4 des 7 paramètres de la fonction de production sontconstants sur l’ensemble du domaine. D’autre part, pour le paramètre FN, nous avons supposéune relation rigide entre les différentes fonctions de production. Une génération aléatoire dece paramètre, à l’instar de CRT et DCRT, améliorerait peut être les résultats. Par ailleurs, lestransmissivités ont été supposées connues d’après le calage en permanent. Une perspectiveserait de simuler les paramètres du modèle souterrain par Monté Carlo.

L’analyse des éléments du cycle de l’eau reconstitués par le modèle montre que lesécoulements ont enregistré une chute à partir de l’année 1976, ce qui corrobore le changementconstaté dans les grands évènements pluviométriques (> 30 mm) de ce bassin (Kingumbi etal., 2005a). Finalement nous aboutissons au constat que la baisse des écoulements du bassinversant du Merguellil enregistrée sur la période après la mise en eau du barrage d’ElHaouareb (1989-1998) serait essentiellement due à la baisse du débit de base consécutive à lasurexploitation des ressources souterraines, notamment celle de la nappe de Bouhafna.

Conclusion généraleLe bassin de l’oued Merguellil est situé en Tunisie centrale, une région caractérisée par unclimat semi aride. Il est constitué d’un relief relativement fort et couvre une superficie totalede l’ordre de 1325 Km2. L’évapotranspiration potentielle y est très élevée, avec des valeursmensuelles qui varient entre 50 et 250 mm. La région est à vocation essentiellement agricole,ceci fait que la population, qui est globalement jeune, est rurale à plus de 80%. Il y acependant quelques petits centres urbains, tels que Haffouz et El Ala, qui font exception àcette ruralité prononcée. Les cultures, les forêts et les parcours constituent l’essentiel del’occupation des sols de ce bassin. Les pratiques culturales qui ne suivent pas les courbes deniveau et le surpâturage, associés à une forte agressivité des pluies ont été à l’origine d’uneérosion intense. Ainsi plusieurs travaux de conservation des eaux et des sols, constituésessentiellement de banquettes et de lacs collinaires, pour lutter contre l’érosion d’une part etpour améliorer la qualité de vie des paysans d’autre part, ont été entrepris.

Un réseau de 25 stations pluviométriques, situées sur le bassin du Merguellil et dans sesenvirons, a été inventorié pour cette étude. Ces stations, étudiées sur une période de 45 ans(1955-2000), recèlent de nombreuses lacunes. La durée moyenne des observations par stationest de 25 ans et seulement 7 stations disposent des données qui excèdent 30 annéesd’observations. La vérification des données pluviométriques a été faite à l’aide de deuxméthodes : la double masse et l’Ellipse de Bois. Ces méthodes nous ont permis de mettre enévidence quelques anomalies dans les données de quelques stations. Les pluies annuelles sontcomprises entre 200 et 500 mm. Elles sont caractérisées par un important gradientpluviométrique (20 mm / 100 m) qui fait que l’amont est plus arrosé que l’aval du bassin duMerguellil. La pluie annuelle est caractérisée par deux pics, en automne et au printemps. Lasaison d’automne présente une occurrence plus importante des fortes intensitéspluviométriques par rapport au printemps, ce qui fait une agressivité pluviométrique plusimportante pendant cette période de l’année.

Quatre stations, qui présentent un historique disparate des données, constituent l’essentiel duréseau hydrométrique du bassin du Merguellil. Les apports à l’exutoire du bassin duMerguellil ont été calculés par le bilan de la retenue du barrage d’El Haouareb. Cesdifférentes données montrent une décroissance de la lame ruisselée de l’amont vers l’aval dubassin, qui corrobore celle constatée sur la pluviométrie. Comme pour la pluviométrie, ladistribution de l’écoulement est bimodale, avec deux pics en automne et au printemps. Lesdonnées hydrométriques sont caractérisées par un certain nombre d’anomalies regroupées endeux principales catégories : des incohérences entre les débits journaliers concomitantsmesurés aux différentes stations, et la non concomitance entre les mesures hydrométriques etpluviométriques. La comparaison des débits et des pluies mesurés aux différentes stationspendant les principaux évènements pluvieux montre une instabilité des stations situées àl’aval où les sections des lits des oueds sont sableuses.

Conclusion générale


Le bassin de l’oued Merguellil regorge d’importantes ressources en eau souterraines. Unedescription des principaux affleurements prévalant dans ce bassin a montré que ces derniersvont du Trias au Quaternaire. Les corrélations litho stratigraphiques, établies à partir des logsdes forages, ont mis en évidence la communication entre les principales formations aquifères(Mioplioquaternaire, Oligocène et Eocène) de ce bassin. Ces aquifères ont été ensuitedélimités en nappes phréatique et profonde dont les extensions spatiales ont été définies àpartir des affleurements des principaux aquifères, l’orographie de la zone d’étude et lesouvrages de captage (puits et forages) implantés dans ces nappes. Une esquisse dufonctionnement de ces nappes a été effectuée, en définissant les zones d’alimentation etd’exutoire de celles-ci à partir des cartes piézométriques. Par ailleurs, les paramètresdéfinissant l’hydrodynamique des nappes ont été décrits. Une forte disparité destransmissivités a été constatée entre les différentes zones du système et il a été montré que lanappe phréatique est en moyenne dix fois moins transmissive que la nappe profonde. Laporosité efficace de la nappe phréatique est comprise entre 0.1 et 0.3 alors que lescoefficients d’emmagasinement de la nappe profonde sont compris entre 10-3 et 10-5. Lesprélèvements dans les nappes n’ont cessé d’augmenter depuis le début des années 1970. Ainsion a assisté à un doublement des pompages dans la nappe profonde entre 1970 et 2000 alorsque la nappe phréatique a vu ses prélèvements multipliés par six sur la même période. En cequi concerne la nappe phréatique, la zone de Haffouz est la plus exploitée avec un taux d’unecentaine de litre par seconde alors que la zone de Bouhafna est de loin la plus sollicitée pourla nappe profonde avec un débit moyen de 400 l/s. Les fluctuations temporelles du niveaupiézométrique de la nappe phréatique dépendent de la pluviométrie et des grands barragesimplantés sur ce bassin, alors que celles de la nappe profonde dépendent des pompages. C’estainsi que le niveau piézométrique dans la zone de Bouhafna a baissé d’une trentaine de mètressur 30 ans. Une baisse de même envergure a été constatée dans la zone de Cherichira qui n’apas connu d’augmentation temporelle des prélèvements et dont l’origine serait la faiblesse desressources.

Les eaux de l’oued Merguellil, dont la minéralisation est faible (1.2 g/l) comparativement auxoueds voisins, sont caractérisées par un faciès sulfaté calcique à magnésien. Les différentesmesures montrent que le résidu sec augmente de l’amont vers l’aval et qu’il est plus importantpendant les périodes d’étiages que pendant les crues. Elles montrent aussi l’augmentation dela minéralisation des eaux du Merguellil à la station de Sidi Boujdaria, qui serait consécutiveà la baisse des apports à l’oued par la nappe dans la zone de Bouhafna où le résidu sec estparticulièrement faible. Par ailleurs, les eaux des nappes présentent une minéralisation faibleavec un résidu sec des eaux de la nappe profonde en général inférieur à celui de la nappephréatique.

La comparaison des apports du bassin du Merguellil sur deux périodes distinctes montre unecertaine baisse de sa réponse durant la période correspondant à l’après mise en eau du barraged’El Haouareb (1989-1998). Cette baisse de réponse peut être due soit à une chute desprécipitations, soit aux divers changements induits par l’action anthropique sur ce bassin.



La première hypothèse a été analysée dans une étude sur l’évolution des sériespluviométriques de cette région. Nous avons, pour commencer, sélectionné, parmi les 25stations pluviométriques de la zone d’étude, 8 stations qui disposaient d’un importanthistorique de mesures. L'étude annuelle des huit séries pluviométriques a mis en évidence uneséquence déficitaire entre 1976 et 1989. Cependant, trois méthodes de détection dechangement dans les séries chronologiques (le test de Pettitt, la procédure de la segmentationde Hubert, et la méthode bayésienne de Lee et Heghinian) n'ont pas conclu à un changementde stationnarité dans les séries individuelles des diverses variables dérivées des pluiesjournalières mesurées aux 8 stations pluviométriques les plus représentatives. Par contre, letest F a montré que les distributions des pluies supérieures à 30 mm (à ces stations) ne sontpas statistiquement homogènes sur les trois périodes (1966-1976, 1976-1989 et 1989-1998),avec une baisse importante de leur contribution entre 1976 et 1989. Par la suite, le réseauentier constitué de 25 stations a été utilisé pour visualiser les distributions spatiales desévénements pluviométriques les plus importants et construire les distributions cumulatives despourcentages des superficies couvertes par les pluies journalières supérieures à 30 mm danschacune des trois périodes (1966-1976, 1976-1989 et 1989-1998). Pour un niveau de fiabilitéde 5%, le test de Smirnov est parvenu à la conclusion selon laquelle les distributions dessurfaces couvertes par les pluies supérieures à 30 mm sont significativement différentes entreles périodes. Ainsi, 1976 constitue une année de changement en ce qui concerne la superficiecouverte par ces pluies. Par ailleurs, le nombre moyen annuel de jours où l’isohyète 30 mmest présent dans la région d'étude a augmenté de 11 jours (sur la période 1966-1989) à 16jours (sur la période 1989-1998). Par conséquent, alors que le nombre moyen annuel de joursoù l’isohyète 30 mm est présent dans la région d'étude a augmenté depuis 1989, la distributionde la couverture spatiale des pluies supérieures à 30 mm a connu une baisse considérabledepuis 1976. La réduction de la couverture spatiale et du cumul des contributions desévénements pluvieux importants après 1976 peuvent être ainsi perçues comme faisant partiedes éléments qui ont contribué à la baisse des apports du bassin du Merguellil pendant lapremière décennie d'exploitation du barrage d’EL Haouareb. Mais une certaine reprisepluviométrique sur la période 1989-1998, particulièrement l'augmentation du nombre de joursde pluies supérieures à 30 mm, suggère que la combinaison de l’action humaine et de lavariabilité pluviométrique est plus apte à expliquer la baisse des apports de l’oued Merguellilsur cette période.

L’étude des séries pluviométriques de la zone d’étude n’ayant pas abouti à des conclusionsqui montrent que la baisse de la réponse du bassin du Merguellil était imputable à une chutedes précipitations, nous avons essayé d’analyser la deuxième hypothèse concernant l’actionanthropique en utilisant la modélisation hydrologique. Le bassin du Merguellil ayant connuplusieurs changements de ses états de surface, l’approche conceptuelle a été choisie, danslaquelle les différents changements ont été pris en comptent à travers les paramètres dumodèle. Le modèle MODCOU a été choisi suivant cette considération et en partant du faitqu’il simule à la fois les écoulements superficiels et souterrains, et que son module souterrain



(NEWSAM) ressemble à celui déjà utilisé (MULTIC) dans les modélisations entreprisesantérieurement sur deux nappes du bassin du Merguellil.

MODCOU étant un modèle déterministe, nous avons introduit le caractère aléatoire dans sessorties, par une génération aléatoire des valeurs de ses paramètres de production. Nous avonscommencé par la définition des zones d’homogène production à partir de l’occupation desterres, de la nature des sols, des principaux affleurements aquifères et de l’historique des deuxprincipaux aménagements CES (banquettes et lacs collinaires) implantés dans le bassin duMerguellil depuis les années 1960. La procédure de calage adoptée en régime transitoire estcelle de Monté Carlo qui consiste à générer de façon aléatoire, un nombre important de jeuxdes paramètres et de les appliquer au modèle pour enfin sélectionner les jeux optimums auregard des critères numériques choisis.

Le système souterrain du bassin du Merguellil a été d’abord modélisé à l’état de référence(1970). Nous avons abouti à une bonne reconstitution de la carte piézométrique issue desmesures dans les différents secteurs des nappes phréatique et profonde. Dans les zones d’AïnBaïdha, Bouhafna et El Ala, les isopièzes sont bien reconstitués ainsi que les sensd’écoulement obtenus à partir des mesures Dans la zone de Haffouz la reconstitution estmoins bonne, elle suit cependant l’allure générale des écoulements, alors que dans la zone deCherichira nous aboutissons à une bonne reconstitution des conditions aux limites du système.Etant donné la faiblesse des mesures dans cette zone nous n’avons pas tenu à affiner le calagepour reconstituer l’allure interpolée à partir des mesures dans cette zone.

Le bilan global, obtenu en régime d’équilibre, est d’environ 900 l/s. Les 2/3 de ce flux sortentpar les oueds. La moitié du dernier 1/3 est prélevée par différents pompages tandis que l’autremoitié sort par les différentes sources. La moitié de l’alimentation se fait par l’infiltration auniveau des piedmonts des djebels, un quart par l’infiltration sur les affleurement oligocènes dela nappe profonde et le dernier quart par l’infiltration sur les affleurements de la nappephréatique.

Pour le régime transitoire, dans un premier temps nous avons choisi une procéduremonocritère qui tente de reconstituer la piézométrie. Cette approche a donné 46 meilleurs jeuxde paramètres dont les résultats en ce qui concerne les débits étaient médiocres. Ensuite, uncalage monocritère sur les débits a été effectué. Ce denier a été fait sur les donnéeshydrométriques prises dans leur ensemble (calage multisite) et au niveau des donnéesindividuelles des stations hydrométriques (calage monosite). Les jeux de paramètres quidonnent les meilleurs critères numériques de ces calages monocritères basés sur les débits ontcependant donné des résultats moins bons en ce qui concerne la piézométrie. Vu que lescalages monocritères n’ont pas donné pleine satisfaction, nous avons opté pour un calagemulticritère (hydrométrique et piézométrique) qui a donné 16 jeux de paramètres dont lescritères de reconstitution piézométrique et hydrométrique sont meilleurs.

Les jeux de paramètres ainsi sélectionnés ont été utilisés en validation sur l’annéehydrologique 1969/70 dans le but de reconstituer les débits exceptionnels de cette année. Pour



cela une seule station (Haffouz), disposant du plus grand historique des données, a étéutilisée. Les 16 jeux de paramètres ont donné une bonne reconstitution de la dynamique desdébits observés et les critères numériques obtenus sont proches de ceux calculés pendant lapériode de calage à cette station.

Une application du modèle sans tenir compte des différents aménagements de conservationdes eaux et des sols (banquettes et retenues collinaires) a donné des critères de performancesnettement inférieurs aux critères obtenus en considérant la chronologie d’implantation de cestravaux. Ceci apporte une certaine justification quant à la méthode adoptée dans la prise encompte des travaux CES. Cependant les valeurs du critère (adopté) de performance, obtenuespour les 10000 jeux de paramètres générés, restent relativement faibles. En effet les meilleursjeux de paramètres ont donné des valeurs du critère qui ne dépassent pas 70% desperformances maximales. Cela peut avoir plusieurs origines parmi lesquelles les hypothèsesformulées en entrée du modèle, qui supposent que 4 des 7 paramètres de la fonction deproduction sont constants sur l’ensemble du domaine. D’autre part, pour le paramètre FN,nous avons supposé une relation rigide entre les différentes fonctions de production. Peut êtrequ’une génération aléatoire de ce paramètre, à l’instar de CRT et de DCRT, améliorerait lesrésultats.

L’analyse des éléments du cycle de l’eau reconstitués par le modèle montre que lesécoulements de ce bassin ont enregistré une chute à partir de l’année 1976, ce qui corrobore lechangement constaté dans les grands évènements pluviométriques (> 30 mm) de ce bassin.Finalement nous aboutissons au constat que la baisse des écoulements du bassin versant duMerguellil enregistrée sur la période après la mise en eau du barrage d’El Haouareb (1989-1998) serait essentiellement due à la baisse du débit de base consécutive à la surexploitationdes ressources souterraines, notamment celle de la nappe de Bouhafna.

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