5 - Dimensionnement des dispositifs de contrôle de ruissellement

  Toute chose étant égale par ailleurs, l'efficacité des ouvrages est liée à leur densité (écartement entre deux ouvrages successifs) Pour l'installations des ouvrages anti-érosifs, deux approches coexistent : L'approche empirique et le dimensionnement suivant le bilan hydrique.

5.1 - Approche Empirique

Le tableau n°5 donne quelques valeurs expérimentales pour différents pays.

Types de dispositif (et main d'oeuvre locale en%)
Conditions d'utilisation
Caractéristique(en m)
Pays concerné
Longueur
Hauteur
Largeur
Ecartement
Diguettes en terre (72)
200<pluvio.<100mm
terres profondes, assez perméables; pente<6%
20-25
0,4
0,4
15-20
BURKINA FASO
GUINEE,
NIGER,
SENEGAL
 
Diguettes en trerre empierrées (51)
Idem(+ rigole amont du reseau 0,4 x 0,3m )
50-75
0,4
0,4
15-40
BURKINA FASO,
MALI,NIGER
Diguettes en pierres (?)
300<pluvio.<600mm
sol non filtrant pente de 3-6%(mais 45% CAP-VERT)
50-75
0,4-0,8
0,-0,4
15-40
BURKINA FASO,CAP-VERT
Cordons pierreux (54)
Pluvio.>400m Pente<6%
-Sol filtrant
Tranche 5/10 cm
50
0,2
0,2
15-40
BURKINA FASO,
GUINEE, MALI,NIGER,
SENEGAL
Zaï ou assa (96)
Pluvio.>400mm
Pente de 1-3%
diamètre 0,4
Profond.0,25-0,30
-
-
0,8-1
BURKINA FASO,
,NIGER
Tranchée en arc de cercle (91)
200<pluvio.<600mm
Pente très forte(30-60%);
Sol peut filtrant
3m en arc de cercle
Profondeur:0,6
0,6
5/4
NIGER
Gradin (88)
200<p<600mm
Pente 30 à60%
Sol peu filtrant
4
Profondeur:
0,5-0,7
Profondeur:0
Profondeur:0
1-1,5
5/5
CAP-VERT
 

 

5.2 - Calcul des écartements entre ouvrages d'un réseau de CES

  5.2.1 - Utilisation de l'équation de WISCHMEIER
LS = A/(2,24.R.K.C.P) A étant fixé (voir exercice d'application n°1), on déduit LS et on se reporte à l'abaque de la figure . 
5.2.2 Formule de RAMSER (USA)

  Cette formule est valable pour les pentes inférieures à 12%.   Pour l'Afrique tropicale :  
 
H = 0,305*(a + p/b)   où H est la dénivelée entre ouvrages successifs ;0,305 est le facteur de conversion en mètres ; a et b sont des coefficients fonctions de K, R, C, et P.   p représente la pente. Les tableaux 6a et 6b donne les intervalles entre deux banquettes     Tableau 6a: Intervalles entre les banquettes.Appliquation de la formule H=(2+p/4)

 

pente du terrain%
Intervalles entre les banquettes(m)
 
 
 
vertical (dénivélée)
horizontal
(projection)
mesuré
suivant
la pente
1
0,68
68,60
68,60
2
0,76
38,10
38,10
3
0,84
23,00
28,00
4
0,91
22,75
22,75
5
0,99
19,80
19,85
6
1,06
17,70
17,75
7
1,14
16,30
16,35
8
1,22
15,25
15,30
9
1,29
14,30
14,35
10
1,37
13,70
13,75
11
1,45
13,20
13,25
12
1,53
12,75
12,80

 

      Tableau 6b: Intervalles entre les banquettes.Appliquation de la formules:  H=(2+P/3)

pente du terrain%
Intervalles entre les banquettes(m)
 
 
 
vertical (dénivélée)
horizontal
(projection)
mesuré
suivan
la pente
1
0,71
71,0
71,0
2
0,81
40,5
40,5
3
0,91
30,3
30,3
4
1,02
25,5
25,5
5
1,12
22,4
22,4
6
1,22
20,35
20,4
7
1,32
18,85
18,9
8
1,42
17,75
17,8
9
1,52
16,90
17,0
10
1,63
16,30
16,40
11
1,73
15,70
15,80
12
1,83
15,25
15,35
     

5.3 - Dimensionnement des ouvrages en fonction du bilan hydrique

Le dimensionnement de ces ouvrages est réalisé habituellement par comparaison avec les dispositifs existants. Ainsi, l'établissement d'un nouveau réseau de diguettes au Burkina, de demi-lunes au Mali, de banquettes au Cameroun s'appuiera toujours l'analyse de l'expérience acquise sur le secteur. En fonction des résultats (destructions d'ouvrages ou sous emploi des équipements), les bases de dimensionnement pourront être modifiées.   Il est cependant nécessaire de rappeler la théorie du dimensionnement de ces ouvrages, afin d'en comprendre plus aisément le fonctionnement.   La figure 15 représente les bilans hydrologiques d'un ouvrage de concentration, d'infiltration totale et de diversion.  Sur le bassin récepteur, le bilan s'écrit :   P . s + R . S = I . s + D S t + E  

P représente
la pluviométrie (mm)
 
R
la lame d'eau ruisselée sur l'impluvium (mm)
 
I
la lame d'eau infiltrée sur le bassin récepteur (mm)
 
E
le volume drainé (1)
 
D S t
la variation de stock d'eau dans le bassin récepteur (1)
 
S t s
la surface de l'impluvium et du bassin récepteur (m²)

 

    Le dimensionnement d'un dispositif de contrôle du ruissellement doit répondre à 1 voire 2 contraintes :     le bassin récepteur et le chenal de diversion doivent permettre de stocker, d'infiltrer ou d'évacuer la totalité des eaux sans déborder.     dans le cas où l'aménagement a un objectif agricole ou forestier, le bassin de réception doit recevoir un volume d'eau suffisant pour permettre la culture souhaitée.   Il est habituellement accepté un risque de rupture décennal pour les débordements et d'insuffisance quinquennal pour l'alimentation hydrique des cultures

.   1 Si un risque quinquennal est justifié pour l'alimentaiton hydrique des cultures, il serait souhaitable de travailler avec des risques de rupture beaucoup plus faibles, voisins de centennal. Ce n'est pas seulement l'investissement qui est en jeu, mais surtout le terroir. Des banquettes, des diguettes débordent et des dizaines d'hectares peuvent être ravinés 

 

Bilan hydrologique Contrôle du ruissellement
Concentration du ruissellement
 
Bilan hydrologique Contrôle du ruissellement
Absorption totale
 
Bilan hydrologique Contrôle du ruissellement
Déversion des eaux excédentaires
 
 
Figure 15: Bilan hydrologique et ouvrage de contrôle de ruissellement (Smitg 1002)

 

a) Dimensionnement contre un risque de débordement   L'utilisation du bilan hydrologique nécessite l'estimation des paramètres suivants :     la lame d'eau précipitée, P
  la lame d'eau ruisselée, R
  la lame d'eau infiltrée, I
  le volume écoulé, E   En première approximation, il est possible d'estimer ces valeurs par les relations suivantes :  

R= K r . P
I = v i . D t
E = q . D t 

où K r
représente
le coefficient de ruissellement moyen pour un événement pluvieux de fréquence F (Risque d'insuffisance F) ; voir tableau n°6 à titre indicatif. 
v i
 
la vitesse d'infiltration stabilisée du sol considéré (mm/h)
D t
 
la durée de précipitations considérée (h)  
q
 
le débit moyen d'écoulement (l/h)

 

Compte tenu de la fréquence très faible des événements considérés, la valeur du coefficient de ruissellement est toujours élevée. Le Centre technique Forestier Tropical (1979) indique, au tableau n°7, quelques valeurs de k r à Madagascar :   Tableau 7 : Coefficient de ruissellement pour différents couverts et différentes pentes

 

Couvert
Roche mère nue ou sol
Parcours érodé
ou
Culture peu
Parcours en
bon état ou
Pente
érodé compact
couverture
40 à 70 %
couvrante
reboisement
1 à 3 %
100
80
70
30
3 à 12 %
100
80
70
30
12 à 20 %
100
80
70
30
> 20 %
100
90
80
45

 

Ainsi simplifié, le bilan hydrologique s'écrit :

  P.s+Kr.P.S= Vi.s.Dt +DSt+q.Dt La valeur du stock d'eau S t passe par un maximum pour une durée D t = D t o correspondant à D S t / D t = 0 soit pour : I (F, D t) représente l'intensité pluviométrique maximale de fréquence F pour une durée D t.


La durée D t est donc définie par la relation :
I(F.Dt)=(Vi.S+q)/(Kr.S-s)L'aménagement doit pouvoir emmagasiner un stock d'eau S t au moins équivalent à :   St=P.s-Kr.P.S-Vi.s.Dt-q.DT où P représente la marge d'eau maximale précipitée pendant une durée D t de fréquence F. b) En infiltration totale, dimensionnement de l'impluvium en vue de la mise en culture du bassin de réception (zone sahélienne) En infiltration totale, le bilan hydrologique sur le bassin de réception s'écrit, à l'échelle de la saison de culture :

P . s + R . S = I . s où P est la pluviométrie de la saison culturale
R, le ruissellement moyen sur l'impluvium
I, la lame d'eau infiltrée sur le bassin de réception
s, S, les surfaces respectives du bassin de réception et de l'impluvium La hauteur d'eau dont dispose la plante pour son cycle végétatif est I, soit :   I = P + R . S/s   En introduisant Kr , le coefficient de ruissellement annuel sur l'impluvium I = P + K r . P . S/s = P .(l+Kr.S/s) Un apport d'eau supplémentaire correspondant à K r . S/s est donc assuré à la plante.

Connaissance les besoins en eau d'une culture, le coefficient de ruissellement annuel K r , il est possible de déterminer le rapport S/s. Choix des données hydrologiques : L'aménagement doit permettre la culture avec des chances de succès suffisantes. Il convient donc de choisir des données hydrologiques défavorables, c'est à dire la pluviométrie et le coefficient de ruissellement de l'année décennale ou quinquennale sèche. Le coefficient de ruissellement moyen sur très petits bassins versants, pour une année sèche, est difficilement estimable. Il est de l'ordre de 0.3 à 0.5.    

EXERCICE D'APPLICATION N°2 Le responsable de la conservation des eaux et des sols doit dimensionner le bassin de réception d'un ouvrage d'absorption totale (banquettes), dans le cadre de la récupération des terres de glacis (région de Tahoua au Niger).

Le levé topographique a donné les valeurs suivantes :     - longueur du terrain (sens de la pente) : 1250 m     - largeur du terrain : 200 m     - pente : 2,5% Les études pédo-climatiques ont donné les valeurs suivantes :     - Pluviométrie moyenne annuelle : 300 mm     - Coefficient de ruissellement moyen annuel : 40%     - Vitesse d'infiltration : 25 mm/heure.     - Durée de précipitations : 20 heures.

 

On demande de :   1- Calculer l'écartement entre banquettes en utilisant la formule de RAMSER     avec a = 2 et b = 3 puis 4.


  2- Déterminer la largeur du bassin récepteur pour chaque cas.
  3- Quel serait votre choix final ?
  4- Quelle sera la surface totale qu'on peut mettre en culture (en tenant compte de votre     choix) à la première année.