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Table des matières
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La cause et les processus de l'erosion linéaire
La cause de l'érosion linéaire est à chercher dans l'énergie du ruissellement, laquelle dépend à la fois du volume ruisselé et de la vitesse de celui-ci.
E Ruiss = 1/2 MV2 sur parcelle = 1/2 MGH sur bassin versant
TROIS THEORIES POUR EXPLIQUER LA NAISSANCE DU RUISSELLEMENT
1° Théorie de Horton (1945) Le ruissellement naît lorsque l'intensité des pluies est supérieure à la capacité d'infiltration du sol (figure 54a). Si on compare l'infiltration à l'intensité de la pluie, on constate que l'intensité d'infiltration décroît au cours du temps, d'une part parce que le potentiel capillaire diminue à mesure que le front d'infiltration pénètre à l'intérieur du sol et d'autre part, par dégradation de l'état de la structure à la surface du sol. Par contre, l'intensité de la pluie passe généralement par un (ou plusieurs) maximum et le volume de la pluie situé au-dessus de la courbe d'infiltration peut être considéré comme le ruissellement. On constate dans l'exemple choisi, pour une séquence d'intensité voisine que le volume du ruissellement peut varier considérablement en fonction de la période où apparaît le maximum d'intensité dans l'averse. Plus tôt apparaît ce maximum, plus réduit sera le ruissellement puisque la capacité d'infiltration diminue au cours du temps. Cependant, les hydrologues ont montré qu'il était rare d'obtenir une bonne corrélation entre le volume ruisselé sur un bassin versant et l'intensité des pluies. On a donc cherché une autre explication.
2° Théorie de la saturation du milieu. Le ruissellement naît lorsque l'espace poreux du sol est saturé (figure 54b). Si au cours d'une pluie simulée on constate d'abord le démarrage du ruissellement après une pluie d'imbibition, le ruissellement va augmenter jusqu'à atteindre un niveau stabilisé correspondant à la capacité d'infiltration stabilisée du sol. Mais si la pluie persévère (plus de 100 mm), il peut arriver que l'on observe une nouvelle croissance du ruissellement et un nouveau plateau d'infiltration stabilisée. Il s'agit simplement de la saturation de l'horizon labouré; elle provoque le débordement de cette capacité de stockage que représente la macroporosité de l'horizon labouré. On peut constater soit que l'intensité de ruissellement correspond exactement à celle de la pluie simulée si l'horizon de profondeur est totalement imperméable ou qu'il reste une certaine capacité d'infiltration résiduelle correspondant à celle du fond de labour. Lorsqu'un milieu est totalement saturé, toute goutte d'eau tombant dans ce milieu ruisselle, quelle que soit l'intensité de la pluie.
3° Théorie de la contribution partielle de la surface du bassin au ruissellement. A la figure 54c, on constate que le ruissellement observé au niveau de la rivière est fonction de la surface du sol saturé au fond de la vallée. Si, au cours de la saison sèche, on mesure le ruissellement sur un bassin versant, on constate que la rivière réagit très rapidement aux orages alors qu'on n'observe pas de ruissellement sur les versants ! Le volume ruisselé est réduit pendant cette période sèche car la surface saturée du fond de vallée est très étroite, souvent réduite au lit mineur. En fin de l'hiver, par contre, lorsque tout le volume de la couverture pédologique a été réhumecté jusqu'à capacité au champ, la moindre averse réalimente la nappe, laquelle va latéralement saturer une surface plus grande de la vallée. Par conséquent, même s'il n'y a pas de ruis sellement sur le versant en période humide, l'ensemble du bassin versant va contribuer au volume écoulé par la rivière par extension de la surface saturée, la nappe étant alimentée directement par le drainage de l'ensemble du bassin.
FIGURE 54 : Naissance du ruissellement: trois théories
A. Si intensité pluie > Infiltration (Horton)
B. Si la porosité du sol est saturée
C. Contribution localisée du ruissellement
En fonction de l'origine du ruissellement, la lutte antiérosive devra donc s'organiser différemment. Si comme dans le premier cas, le ruissellement provient de la dégradation de l'état de la surface du sol, la lutte antiérosive devra s'organiser essentiellement en protégeant cette surface du sol par la couverture végétale ou en retardant la formation de pellicule de battance.
Si par contre, le ruissellement s'organise à partir de la saturation du sol, il importe d'organiser un certain drainage. La végétation va freiner le ruissellement et le stocker provisoirement: elle va diminuer les pointes de crue et l'énergie disponible pour l'arrachement des matériaux. Enfin, si le ruissellement ne se manifeste que localement sur un bassin versant, il est inutile d'organiser des banquettes de diversion sur les versants et les pentes fortes, puisqu'il s'y forme très peu de ruissellement. On comprend, dès lors, les nombreux échecs des projets de LAE qui se contentent d'appliquer des recettes mises au point en régions tempérées, en des situations écologiques très différentes (ex. les fossés de diversion en région soudano-sahélienne).
LE DEVELOPPEMENT DES RAVINES
Le long d'un versant, l'énergie cinétique des gouttes de pluie est une constante à ceci près, qu'elle dépend de la vitesse du vent. Par contre, le ruissellement tend à s'accumuler et à s'organiser lorsque la longueur de pente augmente. Si le débit de pointe augmente, on observe l'entaille de la surface du sol et la formation d'une rigole. Celle-ci va évoluer par un frottement du fond par les sédiments transportés par le fluide et par effondrement des berges et transport du matériau ainsi désorganisé.
Dans la nature, on observe le plus souvent des ravines en forme de V qui s'impriment dans un matériau homogène, plus ou moins meuble, sablo-argileux; argileux, marneux ou schisteux. Les versants de ces ravines évoluent par altération de la roche: en saison froide par alternance de gelées et de soleil, en saison chaude, par alternance de périodes sèches et d'averses. On observe en milieu méditerranéen une altération des marnes et des schistes qui peut atteindre 4 à 10 mm par an. L'enfoncement a lieu lors des averses exceptionnelles. Une à deux averses par an suffisent pour dégager toutes les particules accumulées durant l'année au fond de la ravine et pour entailler le fond de la ravine par abrasion des matériaux que le ruissellement charrie.
Au cours des saisons intermédiaires, les matériaux fins accumulés sur les versants par altération des roches, glissent jusqu'au fond de la ravine, d'une part suite à l'impact des gouttes de pluies, et d'autre part par formation de petites rigoles secondaires ou le plus souvent par glissement en masse des particules saturées par l'eau. La pente d'équilibre des versants étant largement dépassée, aucune végétation ne peut s'y installer. La lutte antiérosive va donc s'attacher à stopper le surcreusement du fond de la ravine et à rétablir la pente d'équilibre sur les versants.
Un deuxième type de ravines en U s'observe fréquemment dans la nature sur des matériaux hétérogènes. Soit elles ont un fond constitué de matériaux très résistants: lors des crues exceptionnelles le canal va donc s'élargir latéralement par effondrement. Soit, la couche de résistance se trouve en surface, le ruissellement creuse alors profondément le matériau jusqu'à atteindre une nappe d'eau temporaire ou permanente qui va exercer une poussée latérale sur le bas du versant jusqu'à ce que celui-ci s'effondre (sapement de berges). Ici également il sera nécessaire de fixer le fond de la ravine, de retenir les sédiments jusqu'à obtenir une pente d'équilibre des versants. Dans les terrains de grande culture du bassin parisien, on peut aussi trouver des ravines en U emboîtées, développées dans des limons de cohésion croissante depuis le lit de semence, la zone labourée et la semelle de labour dans l'horizon B tassé non travaillé.
Il existe une troisième forme de ravinement encore plus difficile à traiter: l'érosion en tunnel (tunneling).
Elle peut se développer sur des pentes faibles, dans un matériau fissuré en surface, soit sur des sols riches en argiles gonflantes (vertisols, sols bruns tropicaux, etc...), soit sur des marnes riches en gypse ou en d'autres minéraux solubles (fréquent dans le bassin méditerranéen) .
Lors des orages de fin de saison sèche, les eaux pénètrent dans ces sols fissurés jusqu'à la roche altérée, ruissellent dans ces fissures jusqu'en bas de pente où elles peuvent former des ravines régressives.
Les fissures du sol dans lesquelles s'engouffre le ruissellement hypodermique vont se transformer progressivement en tunnels, lesquels s'effondrent et forment des ravines régressives qui peuvent progresser de quelques dizaines de mètres au cours des grosses averses. Seul, le labour en sec peut colmater ces fissures et forcer l'eau à mouiller toute la masse de sol sans s'infiltrer préférentiellement dans les mégaporosités.
L'énergie du ruissellement est égale à 1/2 MV2 ou est égale à 1/2 MGH à l'échelle du bassin versant.
QUELS SONT LES FACTEURS QUI FONT VARIER LE VOLUME RUISSELE ?
- C'est tout d'abord la pluie: la hauteur des pluies, au cas où le ruissellement naît d'un engorgement du sol, ou l'intensité des pluies en 30 mn (Wischmeier et Smith (1960), Roose, 1973), qui règle la battance et la naissance du ruissellement, ou sur les fortes pentes des montagnes andines, l'intensité maximale en 15mn (Equateur: De Noni et al., 1988).
Au Zimbabwé, Hudson considère que les pluies n'entraînent pratiquement pas de ruissellement ni d'érosion sur les oxisols très résistants lorsque l'intensité des pluies est inférieure à 25 mm/h. Il existe donc des intensités limites de pluie en-dessous desquelles le milieu perméable ne peut ruisseler (Casenave et Valentin, 1989; Rahéliarisoa, 1985). Au simulateur de pluie, Lafforgue et Naah (1976) ont montré que la capacité d'infiltration du sol augmente si l'intensité des pluies augmente dans le cas d'une surface rugueuse du sol. Par contre, si le sol constitue un plan homogène finement poudreux, l'augmentation de l'intensité de la pluie ne joue pas sur l'infiltration. Sur des sols limoneux fragiles, l'infiltration diminue lorsque l'intensité des pluies augmente, car il se forme plus vite une croûte de battance très peu perméable (Raheliarisoa, 1985; Boudjemline, 1987).
- L'humidité du sol préalable à l'averse est le second facteur explicatif du volume ruisselé
Ce paramètre s'exprime, soit par le déficit de saturation du sol avant l'averse (porosité non gorgée d'eau), soit par le temps en heures qui s'est écoulé avant la pluie, soit par l'indice de Köhler. La pluie d'imbibition est généralement nettement supérieure pour un sol sec que lorsque le sol est humide. On passe souvent d'une pluie d'imbibition de 10 à 40 mm en sol sec, 1 à 10 mm en sol humide. Il y a une interaction entre l'état structural du sol et l'humidité préalable du terrain. Boiffin (1976) et Rahéliarisoa (1983) ont montré qu'une simulation de pluie sur un sol limoneux sec peut entraîner une dégradation superficielle du sol plus rapide que si les mêmes pluies tombent sur des parcelles déjà humectées.
- Le troisième point réglant le volume ruisselé est la surface du bassin versant drainé par le même chenal (Zimbabwe: Stocking, 1978).
- L'état de la surface du sol peut se décomposer en:
• organisation pelliculaire,
• fissuration,
• orifices d'origine biologique,
• rugosité.
La rugosité de la surface du sol influence surtout la pluie d'imbibition mais cette influence diminue lorsque la pente augmente car le volume stocké dans les flaques diminue sur les pentes fortes.
Lorsque la surface des sols se dégrade, les mottes fondent et forment à leur surface une pellicule structurale de faible épaisseur, réduisant ainsi l'infiltration à quelques mm/h ou quelques dizaines de mm/h. Mais les croûtes de sédimentation qui envahissent le terrain à partir des flaques entre les mottes peuvent atteindre plusieurs centimètres d'épaisseur et avoir des capacités d'infiltration extrêmement réduites: de 0 à 10 mm/h. Le ruissellement d'une parcelle va donc dépendre de la surface couverte par les différents types de pellicules et par les macropores qui restent ouverts entre les mottes à la surface du sol.
- L'inclinaison de la pente
Généralement, l'inclinaison de la pente diminue le volume ruisselé car sur forte pente, on observe un meilleur drainage interne et une formation plus lente des pellicules de battance, lesquelles sont détruites au fur et à mesure par l'énergie du ruissellement. Le facteur longueur de pente intervient également sur le volume ruisselé, mais si théoriquement, ce volume en pourcentage reste constant le long de la pente, il apparaît dans de nombreux cas, lorsque les sols sont dénudés, que le coefficient de ruissellement diminue lorsque la pente augmente (Roose, 1973; Valentin, 1978).
- Les techniques culturales peuvent augmenter de façon considérable l'infiltration. A Pouni, (Burkina Faso) la comparaison de l'infiltration sur un sol nu non travaillé, sur les mêmes sols piochés avec résidus de culture ou en billonnage cloisonné. L'infiltration d'une pluie de 120 mm passe de 35 mm à plus de 104 mm d'infiltration. On peut citer aussi les essais menés dans le Pas de Calais (France) sur l'effet du nombre de passages des outils.
- Soulignons également l'effet de la mésofaune à Saria (Burkina Faso). Nous avons mesuré sur 100 cm2 l'infiltration finale d'une lame d'eau de 100 mm. L'infiltration était de l'ordre de 5 à de 12 mm/h sur le sol nu encroûté, de l'ordre de 60 mm/h au cas où il y avait un trou de termites, atteignait 90 mm/h après avoir enlevé la croûte de battance et enfin 120 mm/h d'infiltration finale après avoir pioché le sol sur 5 cm. Les trous de vers de terre et dans certains cas, les trous de termites peuvent avoir une influence considérable sur l'infiltration dans les sols puisque les débits dans un tuyau varient en fonction de la cinquième puissance du diamètre de ces tuyaux. Un pore de 2 mm débitera 32 fois plus qu'un pore de 1 mm, or les canalisations laissées par les vers de terre et les termites dépassent souvent 4 mm de diamètre.
QUELS SONT LES FACTEURS QUI VONT JOUER SUR LA VITESSE DU FLUIDE ?
Le deuxième facteur, qui peut jouer pour réduire ou augmenter l'énergie cinétique du ruissellement, est la vitesse de celui-ci.
- Cette vitesse dépend d'une part de l'épaisseur de la lame ruisselante et de la pente du canal et d'autre part, de sa rugosité. La pente augmente la vitesse de l'écoulement et donc la vitesse d'avancement de la ravine mais le ravinement peut très bien commencer sur des pentes inférieures à 1 %.
- La position de la parcelle dans la topographie peut aussi avoir un rôle majeur (Heusch, 1970). En effet les eaux peuvent drainer dans le sol jusqu'à atteindre le fond de la vallée mais au niveau d'affleurement des nappes, il peut se développer du ravinement qui entraîne par la suite une érosion régressive.
- Enfin, il faut noter la différence d'altitude qui va régler la profondeur des ravines; en effet, la hauteur de chute des eaux dans la ravine, entraîne une énergie de tourbillon considérable, laquelle va accélérer la vitesse d'érosion ou la vitesse d'avancement des têtes de ravines.
Signalons enfin les études de Stocking sur la vitesse d'avancement des ravines au Zimbabwé. Après avoir étudié différents types de ravines sur des sols homogènes, il constate d'une part que quel que soit le type de ravine, l'érosion est fonction:
1. du volume des précipitations, c'est à dire P en mm;
2. de la surface du bassin en km2 , donc des volumes ruisselés;
3. de la hauteur de chute en tête de ravine (H). L'équation s'écrit:
- L'influence du couvert végétal sur l'érosion linéaire est complexe
1° Le couvert végétal, d'une part protège contre la battance des pluies, donc prolonge la perméabilité du sol et réduit le volume ruisselé.
2° Sa litière entretient la mésofaune (laquelle creuse la macroporosité) et absorbe une grande quantité d'énergie de ruissellement.
3° La rugosité au sol dépend du nombre de tiges par m2. C'est ainsi qu'une couverture végétale formée d'herbacées à tiges nombreuses est plus efficace pour protéger le sol contre le ruissellement que des arbres.
- Le sol, enfin, intervient à différents niveaux
La rugosité de la surface du sol réduit la vitesse de ruissellement et intervient également sur le volume stocké. La stabilité de la structure du sol aura une influence sur la vitesse de la battance et par conséquent, la pluie d'imbibition. Si la surface du sol contient des graviers ou des roches, on observe deux effets opposés (Poesen, 1990; Valentin et Figueroa, 1987). Si ces cailloux sont posés à la surface du sol; ils protègent celle-ci contre le splash et protègent la macroporosité sous-jacente. Ces cailloux vont avoir une influence positive sur l'infiltration. Par contre, si ces cailloux sont inclus dans les croûtes de sédimentation ou de battance, on observe une augmentation du ruissellement. Si les sols sont tassés, ils seront moins perméables mais plus cohérents et par conséquent ils résisteront mieux aux courants de ruissellement. Enfin, si le profil du sol est homogène, l'érosion va donner une ravine en V; si au contraire, sa résistance est hétérogène, le profil va évoluer en U avec des faces verticales, la vitesse de l'érosion étant fonction de la résistance du matériau à l'entaille.
En 1935, Hjulström a étudié l'érodibilité des matériaux terreux en fonction de leur texture et de la vitesse des écoulements dans des canaux. Dans un graphique (fig. 5.6) figurant la vitesse des écoulements en fonction de la taille des particules, Hjulström a montré qu'il existait trois zones: la zone supérieure d'érosion, passant par un minimum vers 100 microns, la zone inférieure de sédimentation, et entre les deux, une zone de transport. L'érosion démarre pour une vitesse minimum de 25 cm par seconde lorsque la texture du matériau des berges est d'environ 100 microns, c'est à dire la taille des sables fins pour lesquels le poids est plus faible que celui des sables grossiers et les cailloux et la cohésion est plus faible que celle des limons et des argiles. La vitesse minimum de l'eau provoquant l'érosion est de l'ordre de 25 cm/seconde. On constate donc que les matériaux les plus fragiles, ici des sables fins, sont légèrement plus grossiers que dans le cadre de l'érosion en nappe, pour lequel les matériaux les plus fragiles sont compris entre 10 et 100 microns (Wischmeier, Johnson et Cross, 1971). Voilà pourquoi le ruissellement en nappe qui se déplace à moins de 25 cm/sec n'entraîne le déplacement que des particules fines et des particules légères détachées par la battance et laisse sur place les sables grossiers. Par contre, lorsque le ruissellement est concentré, l'érosion n'est plus sélective, la vitesse augmente, l'énergie du fluide également, qui creuse des rigoles. Lorsque la pente augmente, l'énergie du ruissellement augmente et devient supérieure à l'énergie de l'érosion en nappe. La forme d'énergie évolue vers la formation de rigoles et de ravines, c'est à dire un décapage total de l'horizon humifère et de l'ensemble des matériaux meubles sur la largeur concernée par les chemins d'eau.
Autre observation, le domaine du transport dans les textures sableuses est très étroit. Cela signifie qu'on passe facilement du domaine de l'érosion à la sédimentation lorsque la vitesse du ruissellement diminue: d'où les dépôts sableux qui encombrent très souvent les canaux -par exemple les canaux de diversion, en particulier à la fin de chaque crue. Ceci est particulièrement frappant dans les rivières (mayo) de la zone soudano-sahélienne du Cameroun dont les lits sont encombrés de sables grossiers.