Hydrology of the Sudanian Savannah in West Africa, Burkina Faso

Theophile Mande
2014
PAR Theophile MANDE i À mes parents : Feu Mande Saïdou Emmanuel et Zoungrana Tiga Félicité ii Acknowledgements / Remerciements iii Acknowledgements / Remerciements "Un proverbe mossi (ethnie du Burkina) dit : Qu'il est difficile voire impossible de ramasser de la farine avec un seul doigt : "Nougbi yendé ka wouk'd zoome yé". Je veux donc humblement remercier toutes les personnes qui ont participé de près ou de loin à la préparation et à l'exécution de ce magnifique voyage qu'est la thèse de
more » ... orat. Je tiens tout d'abord à remercier mes directeurs de thèse Marc B Parlange et Alexandre Repetti. Ils ont été pour moi les personnes qui m'ont appris à me lever, à marcher et même à courir dans le monde complexe et exigeant de la recherche. Leurs confiances, leurs soutiens et leurs conseils avisés m'ont permis d'atteindre cette étape. Je vous serai éternellement reconnaissant. Je tiens particulièrement à exprimer ma gratitude à ma famille, celle qui a beaucoup souffert de la séparation. Il s'agit de ma femme Eilfried Lidwine Fatoumata et mes fils Wendkuni Emmanuel Stephane et Kiswendsida Brendan Johan, merci pour votre patience et votre soutien inconditionnel sans lesquels je n'aurais pu finir cette thèse. Sachant qu'aucune oeuvre scientifique de qualité n'est réalisable sans le soutien d'institutions fortes.-Je terminerai mes propos en remerciant l'École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), l'Institut International d'Ingénierie de l'Eau et de l'Environnement (2iE) et le KFPE pour leurs financements et leurs supports divers. iv Abstract / Résumé /Mi maakubikaama v Mi maakubikaama Tanbaliga dogu tie naani n ki tia ki soangi kelima un ye yaa diema nni, Bulicina Faso naa biani leni ňinboanciangu. Laa dogu pia u pakiceli yaala n tie ku siagu leni li fali yaa kani. Mi taňinbaama yabingu bi mi waalu ŋuadinni ŋan ye naani leni yaa yogunu yo. Laa taňinbaama puasindisindima kpendinni laa dogu niba po mi yepaagima kelima bi jiema leni bi ŋantaadikuandi kuli ňa ku siagu kpaabu kane. Tanbaliga dogu nni pia ku ňintibidigu ke ku fanma pundi cilometidikaare 4. Laa ňintibidigu yaa kani, bi bugini/caani yaa masina n baa yaa wangi mi taňinbaama n da maama leni laa taňima n koa naani. Lani yaa po, ŋali 2009 binli, bi den taani a masina n puuni yaa laabaali kuli (lani n tie ki tinga, mi taňinwangima (metewo) yaa kani). Li binli 2010 ki gedi 2012 binli yaa siadi nni, bi den taani i laabaali kuli ki bua ki kpaagi ki bandi mi taňinbaama n cuoni maama. Yaa tuonsoantiadi n den todi ke bi laa i laabaali tie : ku taňinwangigu (sensorkopi), taňinsanilie (deverisuari), caanaanii leni wulitonbiigidilie. Bi diidi ki sua ke ku wuligu (mi wulitonma) n kpendinni Tanbaliga taamu. Lani n teni ke u yensiinu taamu ki yen waagi ki mi , ama ki nan yen wuli mi taňima boncianla. Mi taňima yabi ku ňintibidigu kunu (li fuali n ye naani yaa po) ki cie a yaa piadi (i kuani nni). Ki taaga n yabi ku ňintibidigu kunu yeni bua ki yedi ke mi wulitonma yabi laa fuule ki cie. Yaala n cuani lani mo tie li fuali leni ki tinge. Mi wulitonma yaa yabidi, mi yen fii ki do tanpoli ki ban tongi a tawala ki taaga n mi. Yaala n baa taani ki teni ki taaga n cua lebida. Li ŋuani nni u yogunu leni u kaanu n tie maame. Lani yaa po tabuolilie n ye : ku siagu cilima yaa taamu leni ku siagu siiga yaa yaamu. Ku siagu cilima (a taňinbaana) yogunu yen sua ke ki tinga kuoni ke ku tinňingbangu foagi leni tanpoli. Lani n teni ke ku siagu cilima yaa taamu ŋuadini leni mi taňima yabingu ke ku siagu siiga yaa taamu mo ŋuadini leni ki tinga soakpelima. Ki tinga tiipo ňingbandi ŋua ki tuatua ti liedi po yo. Ku taňincendigu yaa ňuudi, laa ňima yen cili ki gbieni yaa ňingbangu n ye tanpoli, laa ňingbangu mo yaa gbie kun tindi ki gbieni yaa ňingbangu n ye tiipo. Ňingbandilie siiga kuli pia ku tanbibugiligu. Tanpoli ňingbangu ňima yen tagini laa tanbibugiligu kane ki kuodi ki gbieni ku ňingbanliegu. Li baa ŋuaŋuadi yene u fuanu ňima n baa ki kali tiipo(km 2.8). Abstract / Résumé /Mi maakubikaama vi Abstract / Résumé /Mi maakubikaama vii supérieure de 10 à 30% dans la partie amont du bassin (forêt de type soudanienne) que dans la partie avale du bassin (terrain agricole). L'abondance de pluie dans la partie amont du bassin est due à la forte production en flux de chaleur sensible de cette partie du bassin. Les facteurs biotiques (index du feuillage végétal) et abiotiques (drainage des sols) permettent de comprendre la forte production de flux de chaleur sensible dans la zone de forêt de type soudanienne comparativement à la zone agricole du bassin. Cette forte production en chaleur sensible contrôle le développement de la couche atmosphérique et par conséquent augmente la probabilité d'événements de pluie de type convectif, qui sont consécutifs au croisement de la couche mixte atmosphérique avec la couche de condensation. Les réponses hydrologiques aux évènements de pluie varient spatio-temporellement et sont caractérisées par deux types d'hydrographes de crues : l'hydrographe à pic unique et l'hydrographe à deux pics. En début de saison, quand le sol est sec et le niveau de la nappe profonde, la réponse du bassin à un évènement pluvieux est caractérisée par un hydrographe à un seul pic. Cet hydrographe à un pic évolue en hydrographe à deux pics avec l'installation complète de la saison des pluies et la recharge de la nappe. Les hydrographes à un pic dépendent plus de l'intensité de pluie tandis que les hydrographes à double pic sont corrélés avec l'humidité antécédente du sol. Les écoulements de surface commencent avec la recharge des nappes perchées qui, après leur remplissage, génèrent des écoulements dans des sections du cours d'eau. Les écoulements dus à la nappe perchée située en amont s'infiltrent dans un premier dans l'aquifère situé entre les deux nappes perchées qui agit comme une zone de stockage dans laquelle toutes les eaux en amont s'infiltrent. La recharge complète de cet aquifère permet l'interconnexion entre les deux nappes perchées et le début des écoulements continus sur l'ensemble du cours d'eau (2.8 km). Les écoulements de base dans le cours d'eau suivent un modèle d'écoulement journalier particulier. Ce modèle se caractérise par des débits d'écoulement importants tôt le matin (6 :00), débits qui décroissent progressivement jusqu'au environ de 13 :00 pour reprendre une tendance inverse et atteindre leur niveau du matin aux environs de 18 :00. Ce comportement de l'écoulement est commandé principalement par deux phénomènes : l'infiltration dans le lit de la rivière et l'évaporation dans la rivière et ses abords. L'infiltration dans le lit du cours d'eau est plus prononcée en début de saison tandis que l'évaporation dans la rivière et ses alentours reprend le contrôle tard dans la saison quand le réseau de nappes souterraines est Abstract / Résumé /Mi maakubikaama viii connecté. La validation du contrôle par l'évaporation du modèle de l'écoulement de base tard dans la saison nous a permis de définir la surface siège de l'évaporation, qui correspond à 0.6% de la surface du bassin et est équivalente en terme de surface à la zone composée de la rivière, de sa partie riparienne et des zones humides du bassin. Ces zones sont sujettes à une forte évaporation de par leur exposition aux intenses rayons solaires de la région. Pour terminer cette étude, un simple modèle hydrologique pluie-débit a été développé avec les informations obtenues sur les principales variables du bilan hydrologique. Le modèle a permis de tester des solutions alternatives pour une meilleure production agricole. Ces tests suggèrent le stockage souterrain de l'eau accompagné de puits profonds comme pouvant être une alternative agricole pour réduire la vulnérabilité de population de Tambarga à la pluviométrie. Abstract As in all semi-arid regions, Tambarga, a small village surrounded by national parks in the landlocked country of Burkina Faso, is affected by the seasonality of the local hydrology. Seasonal and spatial variability of rainfall shapes the livelihoods of rural farmers who depend mainly on rain-fed agriculture. We instrumented the Tambarga catchment (area=~4 km 2 ) to investigate the rainfall patterns, the resulting hydrologic processes (surface runoff, base flow) and the evaporation effects on the local water balance. Thus, we have measured hydrological, meteorological and soil parameters at high spatial and temporal resolution over the catchment since 2009. Data for this research were acquired from the 2010 to 2012 rainy seasons using a network of automatic wireless weather stations (SensorScope stations), two weirs, eight piezometric wells, and two surface energy balance stations. Rain at Tambarga is triggered by the convective mechanism, which is mainly controlled by the sensible heat flux. The daytime rain events at Tambarga are convective and are characterized by their high intensities and short durations. An overall increase in rainfall of 10-30% is observed in the savannah forest when compared to the agricultural field from 2010 to 2012. Biotic (leaf area index) and abiotic (well drained soil) factors, causing enhanced sensible heat flux at the savannah site, lead to an increased predisposition toward convective rainfall. Abstract / Résumé /Mi maakubikaama ix The hydrologic processes concomitant to the rain events were identified over the basin and intermittent responses of streamflow were isolated. The rise of the perched water tables located in the upstream and downstream regions of the basin generated two separate flows in the riverbed after the first rain. The intermediate zone operates like a deep storage tank, and by filling, it creates a connection between the two perched water tables. This connection induces a continuous flow throughout the 2.8 km of the stream. The hydrologic response at the basin outlet is observed to alternate between two different states over the course of the season. At the start of the rainy season, when the soils are very dry and the groundwater level is deep, a typical single-peak hydrograph is observed. This evolves into a double-peak hydrograph when the rainy season is completely established. The single-peak hydrograph is correlated with rainfall intensity, while the double-peak hydrograph is also correlated with the antecedent soil moisture condition. The baseflow, meanwhile, occurs when the groundwater level is higher than the riverbed at certain locations in the basin. In contrast, during dry days (no rain) the baseflow exhibits a diurnal flow pattern. This diurnal pattern consists of decreased flow rate from sunrise (6:00 A.M.) to 1:00 P.M. and flow rate recovery to its previous level from 1:00 P.M. to sunset (6:00 P.M.). The diurnal pattern of the streamflow was found to be derived both from infiltration in the riverbed and evaporation over the river edges. The infiltration process dominates during the beginning of the season. While late in the season, when the groundwater network is interconnected and its overall level is higher than the riverbed elevation, evaporation controls the diurnal pattern. An evaporation contributing area is defined when the diurnal pattern is controlled by the evaporation. This area is about 0.6% of the basin area and could be rationally represented by the riparian area and the outlet wetland. Given the importance of rainfall-runoff processes over this catchment, a water balance was completed based on a simple lumped model. This model allowed for testing some water management strategies to improve agricultural production. Its implementation suggests that storing water underground for irrigation purpose with deeper wells is a way to achieve better agricultural productivity and therefore, reduce the vulnerability of the local people.
doi:10.5075/epfl-thesis-6011 fatcat:3f6misdz75bbvnsmqlrh5piaxu