ÉTUDE DES PROCESSUS PHYSIQUES D'ÉROSION ÉOLIENNE … · 2018. 10. 31. · ÉTUDE DES PROCESSUS...
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ÉTUDE DES PROCESSUS PHYSIQUES D'ÉROSION ÉOLIENNE DANS LE SUD TUNISIEN: LE CAS DES SURFACES AGRICOLES
23èmes
Journées Scientifiques de l’Environnement, Hôtel du Département,31 janvier 2012
G. Bergametti1, M. Labiadh1,2, M. Kardous1,2
et C. Bouet1,3
1
Laboratoire Interuniversitaire des Systèmes Atmosphériques (LISA)UMR CNRS 7583, Universités Paris Diderot et Paris Est Créteil , France2
Institut des Régions Arides, Médenine, Tunisie3
IRD‐BIOEMCO
SaltationSandblasting
Vertical flux F
Surface wind
Horizontal flux G
Quand
le
vent
souffle
suffisamment
fort
au
dessus
d’un
sol entièrement
ou
partiellement
nu, la
couche
superficielle
de
ce sol se met en mouvement.
SaltationSandblasting
Vertical flux F
Surface wind
Horizontal flux G
Lorsque
les
grains
du
sol
mis
en
mouvement
par
le
vent retombent
à la
surface,
les
chocs
permettent
l’explosion
des
agrégats
du sol libérant de plus fines particules qui sont alors émises dans l’atmosphère et transportées au loin.
Les zones désertiques de la planète (zones arides et semi‐arides)
sont
particulièrement
sensibles
à l’érosion
éolienne
et
sont
donc
les
principales
sources
d’aérosols désertiques
Sahara Arabie
Australie
Taklamakan
NamibieAtacama
Patagonie
Chihuahua
Gobi
Asie mineure
Sahel
1500 Mt/ande poussières désertiques sont
injectées dans l’atmosphère
Les
plus
fines
particules
(quelques
micromètres)
ainsi produites sont appelées «
aérosol désertique
».
Aérosol désertique (Niger)Crédit photos: M. Sabre (Lisa)
argiles majoritaires (illite, kaolinite, …), quartz,
calcite…
…
Compte‐tenu
de
leur
taille
micronique,
ces
aérosols peuvent être transportés sur de très longues distances.
Photo
prise
par
le
satellite (SeaWiFS)
le
26
février
2000
d’un
nuage
très
dense
de
poussières expulsées
depuis
les
côtes
africaines et pénétrant de près de 2000 km sur l’Atlantique Nord.
(Crédit
photo:
NASA
DAAC/GSFC
and
the
NASA
SeaWiFS project.)
L’impact radiatif des poussières
Diminution du
rayonnement incident
atteignant la surface
( 40 %)
Réchauffemen t de
l’atmosphère
Solar radiation
Earth radiation
Back scattering absorption
absorption
Le rôle des aérosols désertiques dans le système climatique
une des principales incertitudes sur l’évolution future du climat
IPPC, 2001
Apports de nutriments au milieu marin
Les
retombées
de
poussières désertiques
dans
les
zones
le
plus
éloignées
de
l’océan mondial
constituent
une
source
majeure
de
nutriments présents
en
quantité
limitée
comme le Fe, P …
Tempête de sable
Texas, 1935
Tempête de sable,Afrique de l’ouest,26 février 2000
Conséquences en régions source
Crédit photos: M. Kardous, IRA, Tunisie
L’ensablement
la visibilité
Crédit photos: M. Kardous, IRA, Tunisie
Crédit photos: M. Kardous, IRA, Tunisie
L’érosion des sols
Dust storm 1983‐02‐08Melbourne (Australia)
Site Soil Type
Wamberra Sand
Box Creek Clay Loam
Montarna Sandy Loam
Total N (%) 0.226 0.16 0.153
Total P (%) 0.038 0.029 0.034
N enrichment ratio
19 2 2
P enrichment ratio
5.7 1.9 2.4
Mass fraction 0.003 0.11 0.06
Soil Nutrients content
D < 44 µm
Total loss of top soil M=2 Million t
Total loss of N M*0.0017=3400 t
Total loss of P M*0.000055=110 t
Cost of fertilizer (N:P:K=32:10:0)
0.37 $
Cost of N 3.9 Million $
Cost of P 0.4 Million $
Evaluation of Costs
Pertes en nutriments dans les régions source
Seuil d’érosion
Energie minimale pour initier
le mouvementEnergie éolienne
effectivement transmise
Forces de maintien au sol :Poids de la particule, PForces de cohésion inter‐
particulaire, Ip
Humidité des sols= Forces de cohésion, Fc
Eléments de rugosité(cailloux, graviers, végétation pérenne …)
= Partition de l’énergie éolienne feff
= f(Z0
)
Végétation annuelle= Variation de rugosité
Force de friction du ventForce de friction totale
Zone
s arides
Zone
s semi‐a
ride
s
Précipitations
dissipation
Force de friction en
surfacedissipation
~ 80-90 µm
U*≈
20 cm.s-1
Surfaces lisses, sols meubles et secs
From Shao et Lu, 2000
Seuil d’érosion effet de la taille des grains du sol
Hypothèses: sphéricité, densité
Soit une vitesse de vent à 10 m d’environ 6 m.s‐1
pour une surface lisse
U(z)
= (U*/k) log (z/z0
)
Seuil d’érosion
Energie minimale pour initier
le mouvementEnergie éolienne
effectivement transmise
Forces de maintien au sol :Poids de la particule, PForces de cohésion inter‐
particulaire, Ip
Humidité des sols= Forces de cohésion, Fc
Eléments de rugosité(cailloux, graviers, végétation pérenne …)
= Partition de l’énergie éolienne feff
= f(Z0
)
Végétation annuelle= Variation de rugosité
Force de friction du ventForce de friction totale
Zone
s arides
Zone
s semi‐a
ride
s
Précipitations
dissipation
Force de friction en
surfacedissipation
Force de friction totale (« Total shear stress »)
τ = ρ u*2
absorbé τaτs la force de friction appliquée à la surface érodable
τ
= τa
+ τs
absorbé τa
Seuil d’érosion sur une surface rugueuse
Marticorena and Bergametti, JGR, 1995
Seuil d’érosion
Energie minimale pour initier
le mouvementEnergie éolienne
effectivement transmise
Forces de maintien au sol :Poids de la particule, PForces de cohésion inter‐
particulaire, Ip
Humidité des sols= Forces de cohésion, Fc
Eléments de rugosité(cailloux, graviers, végétation pérenne …)
= Partition de l’énergie éolienne feff
= f(Z0
)
Végétation annuelle= Variation de rugosité
Force de friction du ventForce de friction totale
Zone
s arides
Zone
s semi‐a
ride
s
Précipitations
dissipation
Force de friction en
surfacedissipation
Seuil d’érosion: validation en conditions réelles
Marticorena et al., J. Geophys. Res., 1997b
Vitesse de friction seuil en fonction de la hauteur de rugosité
(sol meuble) : U*t
= f(Z0
,Dp
)
0
50
100
150
200
250
0.000001 0.00001 0.0001 0.001 0.01 0.1 1Roughness length (cm)
Thr
esho
ld w
ind
fric
tion
velo
city
(cm
.s-1) Loose sandy soils
Loose sand on crust
Disturbed sand
Loose silty soils
Disturbed silty soils
Loose gravelly soils
Disturbed gravel
Disturbed clayey
Disturbed salty soils
High organic clay
Model
Déserts de Chine et Mongolie
Sahara et Moyen‐Orient
Laurent et al., J. Geophys. Res., 2005
Laurent et al., J. Geophys. Res., 2008
Cartographie de la rugosité
aérodynamique des zones arides
log (Z0
)
log (Z0
)
Laurent et al., JGR, 2008
Pourquoi les zones semi‐arides?
L’évolution future du contenu en poussières de l’atmosphère résultera principalement des
changements attendus dans les zones semi‐arides :
‐
facteurs liés au changement climatique (vents, précipitation)
‐
facteurs liés à la modification de l’usage des sols due à la pression anthropique
-15 -10 -5 0 5 10 15 20
10
15
300
500
700
900
-15 -10 -5 0 5 10 15 20
10
15
300
500
700
900
-15 -10 -5 0 5 10 15 20
10
15
300
500
700
900
-15 -10 -5 0 5 10 15 20
10
15
300
500
700
900
N’Tchayi et al., (1994)
Gradient de précipitation 1mm/km
Erosion éolienne au Sahel
0
20
40
60
80
100
120
01/01 04/01 07/01 10/01 12/31 04/01 07/01 09/30 12/31 04/01 07/01 09/30 12/30Date
Cum
ul d
es s
édim
ents
(< 2
0µm
) éro
dés
et d
épos
és (g
/m²)
érosion dans le champérosion dans la jachère
1996 19981997
→ Dans les conditions actuelles, l’érosion éolienne et les émissions de
poussières se produisent essentiellement sur les champs cultivés
(Rajot, 2001)Evolution de l’usage des solsaux environs de Niamey depuis 1950 (A. Touré, 2009)
26
Quantification de l’érosion éolienne sur les surfaces agricoles des zones semi-arides
tunisiennes…
(i)
Configuration différente de celle décrite pour les régions arides
(ii) Peu de données dans la littérature
(iii) Nécessité
de décrire les phénomènes avec des grandeurs accessibles à l’échelle régionale
RS
RH
Etude en wind tunnel de l’érosion éolienne sur des surfaces en billons
NN°° RSRS (cm)(cm) RHRH (cm)(cm) RH/RSRH/RS
11 40.040.0 7.37.3
22 27.627.6 7.77.7 0.280.28
33 34.634.6 9.69.6 0.280.28
44 34.534.5 7.47.4 0.210.21
55 9.69.6 0.220.22
66 34.334.3 0.320.32
77 24.024.0 7.37.3 0.300.30
88 28.628.6 10.510.5 0.370.37
99 19.119.1 7.37.3
1010 24.024.0 8.68.6 0.360.36
1111 0.360.36
43.0
16.0 5.7
10.9
0.38
0.18
Plus une configuration sans billons
Kardous et al., Annales Geophysicae, 2005b
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
0.35
600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200
u (cm.s-1)
Q (g
.cm
-1.s
-1)
RS= 43.0 cm; RH= 9.6 cm RH=40.0 cm; RH=7.3 cm RS= 34.6 cm; RS= 9.6 cm
RS= 34.3 cm; RH= 10.9 cm RS= 28.6 cm; RH=10.5 cm RS= 27.6 cm; RH= 7.7 cm
RS= 24.0 cm; RH=7.3 cm RS= 19.1 cm; RH= 7.3 cm Unridged surface
EROSION EOLIENNE SUR LES SURFACES EN BILLONS
de 60 à 80% de réduction du
flux d’érosion
Kardous et al., Annales Geophysicae , 2005b
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25
m e as u r e d Q (g .cm -1.s -1)ca
lcul
ated
Q (g
.cm
-1.s
-1)
initia l da ta s e t Ha ge n a nd Arm brus t, 1 9 9 2 a dditiona l da ta s e t
y=1.07x
r= 0.96
Vitesse de
friction
2
0Rz H1.27R
36 0 5S
0. 0= ⋅ −
Coefficient de
piégeage
7 7RHRS
a 3.10 10 1.39 10− −=− ⋅ ⋅ + ⋅
2* * *tQ a u (u -u )= ⋅ ⋅
Vitesse de friction seuil
*tRHRS
81.305u 207.1RH
86.871=− ⋅ + +
Quid sur des parcelles
réelles?
30
1. Aménagement des parcelles expérimentales
930 m
615 m
370 m
Parcelle DS
Parcelle DD
VENT
Validation au champ
Parcelle DS
DESCRIPTION DES EXPERIENCES: Instrumentation
Rugosité
géométriqueRugosité
géométrique
Seuil d’érosion
Flux d’érosion
Vitesse de frictionRugosité
aérodynamique
RESULTATS: FLUX HORIZONTAUX MESURES VS CALCULES
0
1
10
100
1000
0 1 10 100 1000
measured flux (g.cm-1.event)
sim
ulat
ed fl
ux (
g.cm
-1. e
vent
)
tiller 2008moulboard 2003disc 2003mouldboard 2008tiller 2009 olive trees
a=0.89r=0.88
Labiadh et al., Geomorpholgy, soumis
33
0.1
1
10
100
1000
15-m
ars
14-m
ai
13-ju
il.
11-s
ept.
10-n
ov.
9-ja
nv.
10-m
ars
9-m
ai
8-ju
il.
6-se
pt.
5-no
v.
4-ja
nv.
5-m
ars
4-m
ai
Flux
(g c
m-1
j-1)
Parcelle DD Parcelle DS
2000 2001 2002
8FlFl
uxux DD
DS=
30% du Flux annuel
CONCLUSIONS
(i)
Des campagnes de mesures des conditions météorologiques, des flux d’érosion et des caractéristiques de surface ont été
conduites sur deux sites différents. Elles
ont été
réalisées sur des surfaces labourées par trois types d’outils différents.
(ii)
Les
résultats
obtenus
montrent
que
l’on
peut
reproduire
l’ordre
de
grandeur des
flux
d’érosion
des
surfaces
en
billons
simplement
en
connaissant
les
caractéristiques géométriques des billons et la vitesse du vent.
(iii) Les mesures réalisées confirment que les flux d’érosion sont notablement plus faibles
sur
les
surfaces
labourées
avec
des
outils
à socs
comparativement
aux
outils à disques. Les outils à griffes comme le tiller sont intermédiaires.
(iv) Cette validation rend envisageable d’utiliser la relation entre taille des billons et
flux
d’érosion
pour
élaborer
des
outils
de
labourage
limitant
autant
que
possible l’érosion des sols.
• Merci de votre attention…
Déficit de précipitation en zone sahélienne
Augmentation des concentrations atmosphériques
Influence des conditions climatiquessur les émissions
Et les poussiEt les poussièères dres déésertiques dans tout sertiques dans tout çça ?a ?
• Un événement de dépôt d’environ 1 g m‐2
de poussières a affecté
le
bilan
du
fer
particulaire
dans
les
eaux
de
surface
pendant environ une semaine
(July 19)
(Dulac et al., in Guerzoni & Chester eds.The Impact of Desert Dust Across the Mediterranean, Kluwer, 1996)
Seuil d’érosion effet de l’humidité
du sol
Augmentation de la cohésion du sol par l’humidité
Fécan et al., Annales Geophysicae, 1999
Seuil d’érosion effet de l’humidité
des sols
Fécan et al., Annales Geophysicae,1999
Augmentation du seuil d’érosion en fonction de l’humidité
des sols, U*tw
/U*td
= f (%H,%clay)
1
1.5
2
2.5
3
0 4 8 12 16 20
Gravimetric soil moisture (% )
Eros
ion
thre
shol
d ve
loci
ty r
atio
measured for sand (1)computed for sand (1)measured for sandy loam (2)computed for sandy loam (2)measured for sandy loam (4)acomputed for sandy loam (4)ameasured for sandy loam (4)bcomputed for sandy loam (4)bmeasured for loam (2)computed for loam (2)measured for clay loam (4)computed for clay loam (4)measured for clay (2)computed for clay (2) measured clay (4)computed for clay (4)
Clay
Loam
Sandy loam
Sand
Flux de poussières
Le «
sand‐blasting
»
Energie cinétique des particules en saltation
ec
= f(Dp,
U*)
Energie de cohésion des poussières
ed
=f(d)
Alfaro and Gomes, J. Geophys. Res., 2001
43
20%
40%
60%
80%
100%
600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200u (cm.s-1)
(Qs-
Qr)/
Qs (
%)
RS= 43.0 cm; RH=9.6 cm RS= 40.0 cm; RH= 7.3 cm RS= 34.6 cm; RH=9.6 cmRS= 34.3 cm; RH=10.9 cm RS= 28.6 cm; RH=10.5 cm RS= 27.6 cm; RH=7.7 cmRS= 24.0 cm; RH=7.3 cm RS= 19.1 cm; RH=7.3 cm
Réduction (%) du flux horizontal entre surfaces en billons et surface plane
(Kardous et al., Annales Geophys., 2005b)