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Thèse de Doctorat de ZANNOU Arnaud

Analyse et Modélisation du Cycle Hydrologique Continental pour la Gestion Intégrée des Ressources en Eau au Bénin. Cas du Bassin de l'Ouémé à Bétérou

 

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RESUME

La modélisation du cycle hydrologique du bassin de l’Ouémé à Bétérou a été conduite avec le modèle Topamma sur la période 1997-2006 à travers une approche spécialement développée. Cette approche repose sur un nombre très réduit de décisions arbitraires, contrairement aux habitudes en la matière. Nous avons visé en fait une paramétrisation du modèle qui fournit des résultats acceptables pour de bonnes raisons, et non un modèle peu contraint qui donnerait les meilleurs résultats possibles sans raison connue. Un lot final de 94 jeux a été sélectionné dans l’espace des paramètres constitué de 17.745 jeux. Cette sélection s’est appuyée sur trois (3) critères successifs dont deux de biais (sur le volume et le débit de pic) et un de dynamique (l’efficience de Nash). La pertinence de l’utilisation du critère Nash en 3ème niveau de sélection pour mieux discriminer les jeux finaux a été démontrée, mais la contribution du critère de biais sur le débit de pic semble négligeable. Les valeurs idéales des critères de biais (biais nuls) ont été observées pour certaines simulations, et les valeurs optimales du critère Nash sont restées entre 89 et 91% en calage, et entre 88 et 93% en validation. Cependant, il a été possible de conclure que la recharge des nappes d’altérite telle que simulée par Topamma n’est pas réaliste au vu de la dynamique observée des niveaux piézométriques. Quelques analyses de sensibilité ont permis de diagnostiquer certaines faiblesses du modèle identifiées à travers ses résultats. En somme, le développement d’une nouvelle version du modèle Topamma, qui améliorerait ses performances actuelles, devrait s’appuyer sur une prise en compte de l’hydrodynamique et de l’occupation des sols, notamment leurs variations respectives dans le temps et l’espace. Ce qui rendrait plus complexe ou trop sophistiqué et moins attrayant le modèle, car il deviendrait plus gourmand en données et en temps de calcul.L’évaluation du bilan hydrologique a montré que l’ETR représente 53% des précipitations, tandis que la recharge des nappes 33% et les écoulements 14% sur la décennie d’étude (1997-2006). L’incertitude de modélisation sur chacun de ces termes du bilan hydrologique décennal ne dépassent pas ±1 à 2% ; néanmoins, les termes varient sensiblement d’une année à l’autre, et sont compris entre 46 et 60% pour l’ETR, 29 et 36% pour la recharge, et 9 et 21% pour les écoulements. L’analyse des relations pluie-débit et de la variabilité hydro-pluviométrique montre que le modèle reproduit de façon globalement satisfaisante les dynamiques interannuelles observées ; mais les facteurs d’amplification des extrêmes pluviométriques (déficit ou excédent) par le système hydrologique sont généralement supérieurs par rapport aux valeurs observées. Un exercice d’application à la GIRE sur le bassin de l’Ouémé à Bétérou a pu être réalisé. Malgré la baisse annoncée de 41% de la disponibilité moyenne annuelle des ressources en eau d’ici 2025, il y aura suffisamment de ressources pour satisfaire l’ensemble des besoins (eau domestique, irrigation, élevage et industrie) estimés à 67 millions m3 par an pour les 10 communes du bassin ; à l’exception du besoin hydroélectrique qui, pour le moment absent, pourrait toutefois s’adapter à cette réalité le cas échéant. Le ratio besoins/disponibilité évoluerait de 29% actuellement à plus de 44% à l’horizon 2025. Le scénario d’aménagement préconisé est la construction d’un barrage hydroélectrique multi-fonctions sur l’Ouémé à Bétérou, et de deux (2) petits barrages sur des affluents au nord du bassin pour couvrir les besoins des communes périphériques. Avec les règles de gestion stratégique proposées, on anticipe sur une situation d’alerte jaune entre 2016-2020, c’est-à-dire que la disponibilité en eau sera supérieure aux besoins en eau seulement de 10 à 25% de ces derniers. Dans la gestion tactique, l’évolution du taux de sécurité proposé laisse entrevoir une alerte rouge en 2020 et 2023 (disponibilité inférieure aux besoins), une alerte orange en 2019 (disponibilité supérieure aux besoins de moins de 10% de ces derniers) et une alerte jaune en 2017. A cet effet, des solutions ont été proposées aux Autorités concernées pour anticiper convenablement dans la gestion de ces situations critiques annoncées. Mots clefs : modélisation et bilan hydrologique, relation pluie-débit, variabilité spatio-temporelle, gestion intégrée des ressources en eau, haute vallée de l’Ouémé. 

 

   ABSTRACT

The hydrological cycle modeling of Ouémé watershed at Bétérou outlet was carried out with Topamma model over 1997-2006 period through a specific approach developed here. This approach consists in a very low number of arbitrary decisions, in opposition with the current practices. We aimed a model parameterization which provides acceptable results for good reasons, and rejected a less constrained model which would give the best results with unknown reasons.94 final sets were selected in the parameter space of 17,745 sets.  This selection was based on three (3) successive criteria including two of bias (on volume and peak flow) and one of dynamics (the well-known Nash efficiency). The relevance of Nash criterion used in 3rd selection level for a better discrimination of final parameter sets was shown, but the contribution of bias on peak flow criterion seems negligible. The ideal values of bias criteria (zero biais) were noticed with certain simulations, and the optimal values of Nash criterion remained between 89 and 91% in model calibration, and between 88 and 93% in validation. However, it was possible to conclude that the groundwater recharge simulated by Topamma is not realistic within observed piezometric dynamics. Some sensitivity analyses helped us to diagnose some model weaknesses identified through its results. The development of new version of Topamma model, which would improve its present performances, should be made by taking into account the soil hydrodynamics and land cover, especially their respective time and space variations.  This would transform the model into a more complex or too sophisticated one, and therefore less attractive one, because it would require more data and time for computing.  The hydrological assessment of water budget showed that the real evapotranspiration represents 53% of precipitations, while groundwater recharge is 33% and river flows 14% over the decade period of this study (1997-2006). The modeling uncertainty on each of these decennial water budget terms does not exceed ±1 to 2%; nevertheless, the terms move significantly between different years, from 46 to 60% for the real evapotranspiration, 29 to 36% for the groundwater recharge, and 9 to 21% for the river flows. The analysis of rainfall-runoff relation and hydro-pluviometric variability shows that the model reproduces in suitable way the observed interannual dynamic; but the amplification factors of pluviometric extremes (deficit or excess) according to the hydrological system are generally higher than observed values.  An application exercise of integrated water resources management (IWRM) on the Ouémé basin at Bétérou outlet was carried out. Despite the 41% announced fall of the annual average water resources availability at 2025 horizon, there will be sufficient resources for satisfying the whole requirements (domestic water, irrigation, livestock and industry), which is estimated yearly at 67 million m3 for the 10 Communes of the basin; except for the hydroelectric requirement which is actually absent and could nevertheless adapt to this reality if necessary. The ratio requirements/availability would move from 29% currently to more than 44% at 2025 horizon. The recommended management scenario is the building of an hydroelectric and multifunction dam on Ouémé at Bétérou, and two (2) small dams on the streams in the north of basin for peripheric Commune’s requirements.  With the strategic management suggested rules, we anticipate on a yellow alert between 2016-2020, i.e. the water availability will be 10 to 25% higher than the water requirements.  In tactical management, the evolution of proposed security rate shows a red alert occurence in 2020 and 2023 (availability lower than requirements), an orange alert in 2019 (availability 10% maximum higher than requirements) and a yellow alert in 2017. Facing those future situations, some solutions were proposed to the concerned Authorities for a suitable anticipation in the management of these announced critical situations. Key words : hydrological modeling, water budget, rainfall-runoff relation, spatio-temporal variability, integrated water resources management, upper Ouémé watershed.

 

 
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