1 Introduction

In semi-arid areas, the lowest parts of watersheds are generally occupied by temporary ponds or rivers, which concentrate surface runoff and are often the only infiltration points to the water table. Such ponds still require much study. In the Niamey area (southwestern Niger), hydrological operation is characterised by the juxtaposition of many small endorheic watersheds, whose areas amount to several square kilometres. Since the studies reported in [2,3], many new measurements have been made. This paper focuses on the emptying processes of the typical pond at Banizoumbou.

The climate is Sahelian, and therefore largely variable in time and space. Long-term average rainfall is 565 mm in Niamey, with 90% from June to September. Potential evapotranspiration, about 2500 mm yr⁻¹, is always higher than the rainfall, except in July and August. The average shower amount is 14 mm [1].

In the wet season, the temporary ponds are quickly filled on successive occasions, in the very few hours during and after the shower, and the emptying lasts longer (between a few days and several months for the last precipitation). The durability of the pond is linked to the clayey clogging of its bottom.

The Banizoumbou pond (13°32′N, 2°40′E, 60 km east of Niamey) is about 350 m long and 50 m wide. Water depth usually ranges from 0.5 to 2.5 m. The watershed area is estimated at about 0.5 km². The water table is about 20 m beneath the pond bottom. Since 1994, automatic recorders have been providing data on rainfall, and pond and aquifer levels (Fig. 1).

2 Methods and results

The analysis of each single event shows rapid emptying (from 10 to over 100 cm d⁻¹), followed by a much slower phase (between 0.5 and 2.0 cm d⁻¹), as can be seen in Fig. 2. A significant pattern also appears on the scale of a whole rainy season (Fig. 3): for the same pond level, emptying becomes slower and slower as the season progresses. Over the decade, the emptying of each year's last event becomes increasingly more difficult with time (Fig. 4); three groups can be distinguished (1993, 1994–1997, 1998–2000).

3 Discussion

A simple model was calibrated. Leakage coefficients for the clogged and unclogged zones, and the vertical boundary between these zones were adjusted for each emptying event (Figs. 5 and 6). Results confirm our interpretation. The calculated leakage coefficients of the unclogged zone (between 1 and 2 d⁻¹) are in good agreement with values from infiltrometer experiments in a nearby site (between 5 and 30 d⁻¹ in most cases).

4 Conclusion

En zone semi-aride, les rivières temporaires et les bas-fonds représentent un point essentiel du cycle hydrologique : concentrant les eaux de surface, ils sont souvent les seuls lieux où puisse se produire une infiltration jusqu'à la nappe, du fait d'une évapotranspiration potentielle (ETP) largement supérieure à la précipitation. Il est donc judicieux de comprendre le fonctionnement de ces sites privilégiés, mais il n'existe que très peu d'études publiées sur ce sujet. Le plus souvent, les références disponibles concernent des sites de recharge artificielle, dont la dynamique ou la qualité des eaux n'a pas grand chose à voir avec un fonctionnement naturel.

Dans un tel contexte, le suivi hydrologique réalisé depuis une décennie dans la région de Niamey, dans le Sud-Ouest du Niger, s'avère particulièrement intéressant. Depuis les analyses des références [2,3], de nombreuses observations supplémentaires ont été accumulées. Dans une mare temporaire, la saison des pluies se traduit par une succession de courtes phases de remplissage (les quelques heures pendant et après les averses) et de longues phases de vidange (plusieurs jours le plus souvent, jusqu'à plusieurs mois pour la dernière décrue). Nous analysons ici les phases de décrue de la mare selon une triple échelle temporelle pour apprécier la variation de dynamique de vidange au cours d'un épisode, au cours de la saison des pluies, au cours de la décennie. Dans cet article, nous concentrons notre examen sur la seule mare de Banizoumbou, particulièrement bien étudiée et dont le fonctionnement est tout à fait typique des autres mares temporaires de la région.

La zone étudiée couvre plusieurs milliers de kilomètres carrés à l'est de Niamey. Les grands traits géomorphologiques sont simples. Au Tertiaire, les sédiments argilo-sableux du Continental terminal se sont déposés en couches épaisses et horizontales, puis grésifiés. Au Quaternaire, la succession des épisodes humides et désertiques a provoqué alternativement le creusement d'un réseau hydrographique et l'apparition de grands ergs dunaires, orientés est-ouest. Il en résulte un paysage morcelé en une multitude de petits bassins endoréiques de quelques kilomètres carrés, qui ne communiquent que lors de pluies très exceptionnelles.

Le climat est typiquement sahélien. Comme dans toute zone aride, les précipitations sont très variables dans le temps et dans l'espace. La pluviosité moyenne annuelle mesurée à Niamey depuis 1905 est de 565 mm, avec des valeurs de moitié ou double pour les années extrêmes. L'essentiel (90 %) de la pluie tombe entre juin et septembre, les averses ne durent souvent que deux ou trois heures et elles sont séparées par plusieurs jours sans précipitation. Du fait de la forte ETP (environ 2500 mm an⁻¹), le bilan mensuel pluie–ETP ne peut être positif qu'en juillet et août. La moyenne des averses est de 14 mm [1].

Les points bas des bassins versants sont souvent occupés par une mare temporaire. Presque toutes les mares comportent une partie basse au fond argileux épais de plusieurs décimètres, qui va conserver l'eau de manière continue pendant la saison des pluies et les premières semaines – ou mois – de la saison sèche, et une partie haute, qui n'est submergée que pendant quelques heures ou jours après les averses. L'argile déposée par les crues sur la partie haute se déstructure rapidement en fins copeaux repris par le vent. La plus ou moins grande pérennité de la mare durant et après la saison des pluies dépend de la puissance du colmatage argileux qui tapisse son fond. Tous les épisodes pluvieux ne participent pas également au remplissage : les plus petits ne sont pas capables de générer un ruissellement qui aille jusqu'à la mare.

Banizoumbou (13°32′N, 2°40′E) se trouve à une soixantaine de kilomètres à l'est de Niamey, dans l'axe d'une vallée fossile longue d'environ 100 km, désormais tronçonnée en de multiples segments par des verrous limono-sableux. Ces verrous isolent des mares d'ampleur très variable, dans le temps et dans l'espace, susceptibles de communiquer lorsque leurs niveaux dépassent la cote des verrous. La mare étudiée est la plus importante localement. Elle mesure environ 350 m de long et 50 m de large ; la lame d'eau y varie le plus souvent entre 0,5 et 2,5 m. Son bassin versant réel est d'environ 0,5 km². La nappe phréatique se trouve à une vingtaine de mètres sous la mare et ne peut donc pas influer sur le régime de la mare. L'infiltration sous la mare (estimée par bilan, dont la valeur est de l'ordre de 40 000 à 60 000 m³ an⁻¹) crée dans la nappe phréatique un dôme piézométrique temporaire relativement plat, dont l'amplitude varie selon les années entre 0,5 et 2,0 m à environ 60 m de l'axe de la mare (Fig. 1).

Un nivellement de la mare a été réalisé en 1991, un second couvrant un domaine plus vaste en 1999. Des mesures ponctuelles du niveau de la mare sont réalisées depuis 1992, avec une fréquence au moins bimensuelle. Un enregistreur automatique, installé en 1994, fournit une mesure toutes les 3 min. Des pannes nous privent d'une grande partie de 1994 et d'une partie de 1995. Seront donc exploitées essentiellement les années 1995 à 2000. D'éventuelles dérives de la sonde de pression sont facilement rectifiées grâce aux mesures ponctuelles. D'autres enregistreurs automatiques nous fournissent les valeurs de pluie et les niveaux de la nappe phréatique en deux points proches de la mare.

Sur la période 1992–2000, le cumul annuel de pluie a varié entre 407 mm (2000) et 699 mm (1998), la moyenne étant de 516 mm. Le nombre et l'importance des événements pluvieux provoquant une hausse de la mare sont très variables selon les années : sept en 2000, 22 en 1998. Le cumul annuel et le nombre d'événements ne suffisent pas à décrire les fluctuations de la mare ; l'intensité et la durée de chaque pluie, les états de surface du bassin sont des variables beaucoup plus explicatives.

Pour chaque épisode de décrue, les observations permettent de calculer une série d'intensités de la vidange, chacune correspondant à une baisse supplémentaire de la mare de 2 cm. Toutes ces intensités successives d'une décrue sont ensuite reportées sur des graphiques intensité–hauteur d'eau dans la mare. Le nombre de points décrivant chaque événement est très variable, puisque dépendant de la hauteur de la mare et de la durée de la période jusqu'à l'averse suivante. Des tests avec une discrétisation de la baisse de 1 ou 5 cm au lieu de 2 ont été réalisés ; dans la plupart des cas, le seuil de 2 cm suffit à bien décrire la dynamique de vidange.

La première remarque concerne l'importance respective de l'évaporation et de l'infiltration vers la nappe dans la vidange. Desconnets [2] a détaillé l'extrême difficulté de connaı̂tre exactement l'évaporation à partir d'un plan d'eau de quelques milliers ou dizaines de milliers de mètres carrés. La station ICRISAT de Sadoré, à 50 km de Banizoumbou, nous fournit des valeurs journalières d'évaporation mesurées sur bac A, minimales en juillet et août et atteignant un maximum en mars. L'évaporation journalière pour les mois de juin à septembre y varie de 0,5 à 13,6 mm, la moyenne étant de 5,6 mm. Un abattement est souvent réalisé sur les mesures en bac A pour représenter l'évaporation d'un plan d'eau libre, mais, comme les mesures effectuées à l'aéroport de Niamey, également à environ 50 km de Banizoumbou, sont de 40 % plus fortes que celles réalisées à Sadoré, nous avons retenu les valeurs décadaires moyennes interannuelles de Sadoré, sans modification, pour représenter l'évaporation de la mare de Banizoumbou. Les intensités de vidange sont toujours supérieures à ces valeurs, souvent très fortement. Elles ne deviennent proches que lorsque les épisodes de décrue durent longtemps et que le niveau de la mare est suffisamment bas ; c'est le cas, en particulier, du dernier épisode de décrue de chaque année, qui va durer plusieurs mois. Quelle que soit l'année, au moins 85 % de l'eau arrivée à la mare s'infiltre.

La deuxième remarque porte sur chaque épisode de décrue, pris séparément (Fig. 2). Il existe un contraste important entre une première phase de vidange rapide et une deuxième phase de vidange beaucoup plus lente. Dans la première phase, les intensités sont comprises entre 10 et plus de 100 cm j⁻¹ ; dans la deuxième phase, elles sont comprises entre 0,5 et 2 cm j⁻¹.

La troisième remarque concerne l'évolution de la vidange au cours de la saison des pluies. Reportés sur un graphe unique, tous les épisodes d'une même année s'organisent de façon remarquable. Pour atteindre une intensité donnée, il faut une charge de plus en plus élevée dans la mare au fur et à mesure que la saison s'avance : la Fig. 3 montre qu'en 1997 une même intensité de 5 cm j⁻¹ correspond à une hauteur de 1,20 m pendant le premier épisode, 2,15 m pendant le cinquième et 2,70 m pendant le neuvième. Le colmatage de la mare augmente donc au cours de la saison.

La quatrième observation touche à la dynamique pluriannuelle de vidange (Fig. 4). Pour l'illustrer, nous avons retenu le dernier épisode de chaque année, puisqu'il est le plus long et qu'il n'est plus perturbé par de nouvelles précipitations. Il semble exister une évolution très similaire à la dynamique intra-saisonnière : le colmatage aurait augmenté avec les années. Plus précisément, les épisodes de vidange s'organisent en trois groupes : 1993 d'un part, 1994–1997 ensuite, 1998–2000 enfin.

Pour un événement, l'opposition entre vidanges rapide et lente, déjà identifiée par [2], s'explique par la présence d'une zone colmatée dans la partie la plus basse de la mare. Tant que le niveau de la mare est significativement plus haut que la zone colmatée, l'essentiel de l'infiltration se fait au travers des berges non colmatées. La baisse du plan d'eau induit, d'une part, une moindre charge hydraulique dans la mare et, d'autre part, une plus forte proportion de la surface colmatée par rapport à la surface totale susceptible de permettre l'infiltration. Ces deux phénomènes conjugués causent une baisse importante de l'intensité de vidange.

L'augmentation du colmatage au cours d'une saison des pluies s'explique par l'érosion hydrique des versants, accumulant des particules argileuses et limoneuses dans la mare. Cependant, les premières crues de l'année suivante présentent des intensités de vidange beaucoup plus fortes que les dernières de l'année précédente. Une partie significative du colmatage a donc disparu pendant la saison sèche. La principale explication en est l'érosion éolienne. Même si la région est globalement une zone de dépôts de sédiments fins emportés par l'harmattan en saison sèche [8], les secteurs sans végétation, comme une mare asséchée, sont particulièrement sensibles à la déflation éolienne, ainsi qu'observé par Rajot [7] sur le même site. L'érosion éolienne est encore accentuée par le passage des bovins, qui déstructurent la couche de surface, la rendant encore plus sensible à l'action du vent. Les sédiments colmatants déposés sur la partie la plus haute de la mare sont particulièrement sensibles à cette érosion : du fait de leur faible épaisseur (de l'ordre du millimètre), ils se dessèchent rapidement en copeaux discontinus, facilement transportés. Au contraire, les sédiments accumulés dans la partie basse de la mare sont plus épais (de l'ordre du centimètre ou du décimètre) et exposés plus tardivement aux vents, donc moins facilement remaniés. Il faut cependant signaler que, en saison sèche, les villageois prélèvent une partie de l'argile du fond de la mare à des fins de construction : à titre d'exemple, un prélèvement de 200 m³ a été observé au début d'avril 1999.

Malgré la reprise éolienne et la fabrication de briques, la tendance à long terme est un remplissage de la mare par les matériaux fins, ainsi que le montre l'évolution des derniers épisodes de décrue de chaque année depuis une décennie (Fig. 4). Cette interprétation est confirmée par l'observation de terrain, qui montre une accumulation d'environ 10 cm an⁻¹ dans le point le plus bas de la mare. Mais le comblement n'est pas un phénomène régulier : les sauts de colmatage observés entre 1993 et 1994, d'une part, 1997 et 1998, d'autre part, ont été provoqués par les très fortes pluies de 1994 et 1998 (689 et 699 mm respectivement), dont le pouvoir érosif fut nettement supérieur à la moyenne des autres années.

Une autre explication à la variation du colmatage en cours de saison des pluies pourrait être le développement d'algues. Une telle activité biologique, qui n'est pas particulièrement visible, devrait être sensible à la durée de submersion de la zone colmatée, ce qui n'est pas le cas. De plus, la liaison entre les années exceptionnelles de 1994 et 1998 (en ruissellement et donc en érosion des versants) et les sauts de colmatage (Fig. 4) incite à penser que l'apport et l'accumulation de particules fines représentent le facteur fondamental du colmatage.

Un modèle simple de vidange a été mis au point. La mare est découpée en une trentaine d'auréoles concentriques, correspondant à des tranches horizontales de 10 cm d'épaisseur. Le volume dV (m³) infiltré sous toute la mare pendant un intervalle de temps dt (s), fraction de l'épisode de décrue, est la somme des calculs élémentaires réalisés sur chacune des auréoles : dV=dt∑K_iS_ih_i, avec K_i la drainance (s⁻¹), S_i la surface (m²) et h_i la charge moyenne (m) correspondant à chacune des auréoles i au cours de l'intervalle dt. Les charges moyennes de chacune des auréoles et les surfaces infiltrantes sont données à chaque pas de temps par la chronique des mesures de terrain. Au cours d'une même décrue, K_i ne peut prendre que deux valeurs, une unique pour l'ensemble des auréoles de la zone colmatée ou une unique pour l'ensemble des auréoles de la zone non colmatée. Pour chaque épisode de vidange, on ajuste les deux drainances et la cote de la limite entre la zone colmatée et la zone non colmatée pour obtenir la meilleure reproduction de la courbe observée (Fig. 5) ; ces trois valeurs sont constantes au cours d'une même décrue, mais variables d'une décrue à l'autre (Fig. 6). Lorsque les crues sont faibles (épisodes 4 et 5 de 1995 ou 11 de 1997, par exemple), le niveau de la mare ne monte pas au-dessus de la limite des deux zones et la drainance de la zone non colmatée ne peut être calculée. Les résultats de ce modèle confortent notre schéma explicatif : la drainance de la zone non colmatée varie relativement peu, celle de la zone colmatée diminue en cours de saison et la limite entre les deux zones augmente. Les drainances ainsi calculées pour la zone non colmatée, entre 1 et 2 j⁻¹, sont proches des résultats des tests d'infiltration au double anneau sur le site comparable de Wankama, 15 km plus au nord dans la même vallée fossile (de 5 à 30 j⁻¹ dans la plupart des cas).

L'ensemble du paysage est en pleine évolution. Les intenses défrichements et mises en culture opérés en quelques décennies ont fait disparaı̂tre une grande partie de la végétation naturelle au profit des champs de mil et des jachères [6]. Ceci amène une très forte augmentation du ruissellement, et donc de la recharge de la nappe, qui a probablement été multipliée par 10 depuis 1960 [4,5]. Les seuils séparant les mares sont particulièrement sensibles à cette modification du régime hydrologique : ils peuvent croı̂tre ou régresser selon les épisodes pluvieux ; dans certains cas extrêmes, ils peuvent même disparaı̂tre complètement. L'extension horizontale et verticale des mares temporaires est donc instable.

L'interprétation des mesures faites à Banizoumbou depuis 1992 montre que les épisodes de vidange de cette mare temporaire s'organisent selon trois dynamiques qui se renouvellent chaque année : (1) une dynamique à l'échelle de l'événement, opposant vidange rapide et vidange lente, et mettant en évidence la présence d'une zone colmatée dans le fond de la mare ; (2) une dynamique à l'échelle de la saison, avec une diminution progressive de la vitesse d'infiltration, due à un apport de particules fines par le ruissellement ; (3) une dynamique pluriannuelle, témoignant d'un comblement progressif de la mare. Entre deux saisons des pluies, l'érosion éolienne reprend une partie des sédiments fins responsables de ce colmatage.

Cette mare est tout à fait représentative de la région de Niamey : des mesures faites sur la même période dans d'autres sites montrent également ces dynamiques selon plusieurs échelles de temps. Elle illustre parfaitement la complexité et le caractère transitoire de la situation hydrologique actuelle, résultat d'une modification radicale du couvert végétal. Plus largement, l'anthropisation accélérée de cette région nous a permis d'observer en une décennie des processus actifs dans bien d'autres régions semi-arides, mais de manière beaucoup plus lente, donc bien plus difficilement mesurables.