Modélisation des aménagements de conservation des eaux et des sols au Sahel

Contexte et objectif :
Au Sahel, le changement climatique se caractérise notamment par l’augmentation des précipitations
extrêmes (Panthou et al., 2018, Taylor et al., 2017) et de la durée des périodes sèches (Todzo et al., 2020). Conjugué avec des taux démographiques particulièrement élevés, le changement climatique va de pair avec une expansion vaste et durable de la mise en culture des terres (Tappan et al., 2016), mais aussi avec des mesures d’adaptation et de mitigation via ce secteur prioritaire de souveraineté alimentaire au Sahel.

L’eau est un facteur limitant clé pour les cultures sahéliennes et l’intensification des précipitations en cours diminue son infiltrabilité dans les sols (Malam Abdou et al., 2015) au profit de plus de ruissellement, de dégradation des terres et d’inondations plus dévastatrices (Tamagnone et al., 2019, Wilcox et al., 2018, Elagib et al., 2021). Des mesures d’adaptation consistent donc à mieux infiltrer l’eau sur les parcelles cultivées, via un travail du sol plus ou moins profond (demi-lunes, banquettes, sous-solages). Ces mesures revêtent également un caractère de mitigation du réchauffement climatique, via les promesses de stockage de carbone lorsqu’appliquées à la végétation “naturelle”, ainsi que de mitigation des inondations (Warzagan et al., 2019, Tamagnone et al., 2020, Warzagan, 2020). Des plans de financements internationaux massifs (Grande Muraille Verte, compensation carbone) en cours de mise en place présagent d’un impact non négligeable de ces pratiques à l’échelle de la région sahélienne. La mise en œuvre de tels ouvrages (densités, dispositions, dimensionnement) impacte les écoulements, mais aussi la compétition entre la recharge des eaux souterraines, ressource tampon vitale dans ces zones semi arides, et l’évapotranspiration, nécessaire au maintien d’une végétation apportant son lot de bénéfices environnementaux.

L’objectif de ce travail est d’étudier l’impact des pratiques de mise en œuvre d’aménagements de conservation des eaux et des sols sur les flux d’eau, et d’éventuellement proposer des optimisations de ces pratiques.

Mise en oeuvre :
Modèle
Le doctorant déploiera le modèle ParFlow-CLM (https://parflow.org/, https://github.com/parflow,
Kollet et Maxwell 2006), un modèle à base physique couplant la résolution des équations de Richards pour les transferts en milieux poreux, la résolution de l’équation d’onde diffusive pour les écoulements de surface, et un modèle de surface (CLM) qui résout le bilan d’énergie (Kuffour et al.,
2020). Ce modèle de recherche est parallélisé et compilé sur de nombreuses plateformes incluant des super calculateurs (Université Grenoble Alpes, IDRIS, et l’Institut de Mathématique and Sciences Physiques (Porto-Novo, Benin), ainsi que sur des stations individuelles.

Sites d’études
Le sujet proposé concerne la région Sahélienne où de nombreux aménagements d’adaptation sont en cours. L’étudiant se focalisera en particulier sur le Niger moyen, dans la région de Niamey, où l’équipe encadrante est fortement impliquée au travers de l’observatoire AMMA-CATCH (degré carré de Niamey, site de Tondikiboro). Les données de l’observatoire et la connaissance acquise sur ce site permettront la mise en place et l’évaluation du modèle pour représenter la partition des flux hydrologiques sur les surfaces Sahéliennes. Cette région a d’ores et déjà fait l’objet de nombreux aménagements hydro-agricoles.

Données
Le stagiaire aura à sa diposition :
– Une simulation de base des bilans d’eau et d’énergie sur une parcelle 1D avec couvert cultivé (mil) et de jachère (Thèse C. Velluet, M. Tabsoba)
– les données d’infiltration sous parcelles aménagées et de coefficients de ruissellement pour évaluation : Thèse A. Ingatan, J.P. Vandervaere

Méthodologie
– L’étudiant dressera un modèle numérique de terrain adapté à différentes dispositions d’ouvrages, en commençant par les banquettes
– Il implémentera une simulation 2D puis 3D des écoulements, en activant l’équation d’onde diffusive
– Sur la base de données d’infiltration (Warzagan et al., 2019) et de réduction de coefficient d’écoulement sous aménagements, mesurées sur différents types d’aménagement, et en fonction de la densité de ces derniers, le stagiaire pourra ajuster les paramètres des zones aménagées (Ks, porosité, profondeur de l’aménagement…) afin de représenter les changements de coefficient d’écoulement observés.
– L’étudiant proposera une méthode pour simuler ce versant de manière dégradée avec des paramètres équivalents (Ks, Manning, porosité, profondeur...), et sans onde diffusive (onde cinématique)
– L’étudiant etudiera les impacts intégrés sur différentes dispositions d’ouvrages, et formulera des recommandations sur la base de son travail .

Résultats attendus :
A l’issue du travail, le stagiaire aura construit un démonstrateur permettant de tester l’impact sur les flux d’eau (Ruissellement, recharge des nappes, écoulements en rivière, évapotranspiration) de différentes dispositions d’aménagements.

Compétences requises :
– De solides bases en hydrologie, hydrogéologie et / ou en flux de surface (transferts sol-végétation-
atmosphère)
– Programmation scientifique (Python, R,…) et environnement Unix (shell)
– Expériences préliminaires en modélisation hydrologique

Environnement de stage  :
Le stage se déroulera en partie à l’IGE (Institut des Géosciences de l’Environnement), à Grenoble, France, où l’équipe PHyREV (Processus Hydrologiques et Ressources en Eau Vulnérables) développe une longue expertise sur l’hydrologie d’Afrique de l’Ouest, en collaboration avec les chercheurs des pays de l’Afrique de l’Ouest. L’IGE participe notamment à l’Observatoire AMMA-CATCH qui mesures les composantes du cycle de l’eau (pluie, débit, évapotranspiration…) depuis plus de 30 ans. L’équipe participe au développement du modèle PF/CLM. Le candidat sera supervisé par Basile Hector, Jean-Martial Cohard, Jean-Pierre Vandervaere et Mahamadi Tabsoba, et sera intégré au projet CECC (Cycle de l’Eau et Changement Climatique au Sahel), piloté par l’IRD et financé par l’AFD, en participant à sa dynamique collective de recherche.