Sur le site soudanien du SO Amma-Catch, le projet ANR GHYRAF effectue des mesures trimestrielles de gravimétrie absolue depuis 2008. Ces mesures sont comparées à des variations gravimétriques simulées à partir des données hydrologiques (piézométrie, sonde à neutrons) appliquées à un modèle homogène du milieu souterrain. Les mesures gravimétriques sont cohérentes avec les observations hydrologiques et suffisamment précises pour assurer un suivi de la variabilité interannuelle des stocks ou une estimation de l'évapotranspiration. (Résumé d'auteur

Descloitres, Marc

Hector, B.

Hinderer, J.

Lemoigne, N.

Luck, B.

Séguis, Luc

Wubda, M.

Horizon / Pleins textes

36èmes Journées Scientifiques du GFHN- 8èmecolloqueGEOFCAN - Orléans - 29 nov-l déc 2011
L'EXPÉRIENCE GHYRAF AU BÉNIN: PREMIÈRE COMPARAISON
ENTRE SUIVI GRAVIMÉTRIQUE ABSOLU ET VARIATION DE STOCK
HYDRIQUE
HECTOR B.I, SEGUIS L.2, HINDERERJ.\ DESCLOITRES M.3, LUCK B.I ,
LEMOIGNE N.\ WUBDA, M.3
1 IPGS-EOST, CNRSlUdS, UMR 7516, 5 rue René Descartes, 67084 Strasbourg
Cedex, France, bhector@unistra.fr
2IRD-HSM UM2, Montpellier, France, luc.seguis@ird.fr
3 IRD-LTHE, IRD, Cotonou, Bénin, marc.descloitres@ird.fr
4 CNRS-GéoSciences, UM2, Montpellier, nicolas.lemoigne@gm.univ-montp2.fr
RÉSUMÉ
Sur le site soudanien du SO Amma-Catch, le projet ANR GHYRAF effectue des
mesures trimestrielles de gravimétrie absolue depuis 2008. Ces mesures sont
comparées à des variations gravimétriques simulées à partir des données
hydrologiques (piézométrie, sonde à neutrons) appliquées à un modèle homogène du
milieu souterrain. Les mesures gravimétriques sont cohérentes avec les observations
hydrologiques et suffisamment précises pour assurer un suivi de la variabilité inter-
annuelle des stocks ou une estimation de l' évapotranspiration.
Mots clés: hydrogravimétrie, evapotranspiration, socle, zone soudanienne, Bénin.
ABSTRACT
GHYRAF EXPERIMENT IN BENIN: TIME LAPSE ABSOLUTE GRAVIMETRY
AND WATER STORAGE VARIATION
On the sudanian site of the long term observing system Amma-Catch, quarterly
absolute gravimetrie measurements have been undertaken by the GHYRAF project
(Gravimetry and Hydrology in West Africa) since 2008. These data are evaluated
against simulated gravimetric measurements deduced from local monitoring of water
table and vadose zone water content variations with the assumption of a uniform
medium. Gravimetrie observations agree with hydrological data and can be used to
evaluate the interannual water storage variability or to retrieve evapotranspiration.
Key words: hydrogravimetry, evapotranspiration, basement, sudanian climate, Benin.
1. INTRODUCTION
Le cycle hydrologique, de par les variations de masse d'eau qu'il engendre, est
responsable de faibles variations du champ de pesanteur terrestre. Avec l'amélioration
des instruments de mesure, l'utilisation de la gravimétrie à des fins hydrologiques a été
envisagée. Les gravimètres absolus mesurent la gravité avec une précision de l'ordre
de 10 à 20 nm.s" (1 à 2 ugal) (NIEBAUER, 2007). En considérant l'anomalie de
Bouguer, cette précision de mesure correspond à la détection d'une variation de lame
d'eau de 24 mm. Dès lors, le gravimètre absolu apparaît comme un nouvel outil non
- 193 -
M I L I E U X P O R E U X E T T R A N S F E R T S H Y D R I Q U E S - N O V E M B R E 2 0 \ \ - B U L L E T I N D U G . F . H . N - W 5 7
i n v a s i f e t i n t é g r a t e u r d e s u i v i d e s s t o c k s d ' e a u . C e p e n d a n t , f a c e à s o n d é p l o i e m e n t
d é l i c a t , i l e x i s t e t r è s p e u d ' e x e m p l e s d ' u t i l i s a t i o n d e c e t i n s t r u m e n t p o u r l e s u i v i l o n g
t e r m e d e s s t o c k s . J A C O B e t a l . ( 2 0 1 0 ) o n t a i n s i o b s e r v é s u r 3 a n s l e f o n c t i o n n e m e n t
d ' u n s y s t è m e k a r s t i q u e d a n s l e S u d d e l a F r a n c e . E n A f r i q u e , l e p r o j e t G H Y R A F
( G r a v i m é t r i e e t H Y d R o l o g i e e n A f r i q u e ) a c o m m e u n d e s e s o b j e c t i f s d ' é v a l u e r l a
c a p a c i t é d e s g r a v i m è t r e s a b s o l u s à s u i v r e l e s v a r i a t i o n s d e s t o c k s s o u t e r r a i n s
( H I N D E R E R e t a l . , 2 0 0 9 ) . D e s m e s u r e s o n t é t é r é a l i s é e s s u r d i f f é r e n t s s i t e s r é p a r t i s d u
G o l f e d e G u i n é e a u S a h a r a ( H I N D E R E R e t a l . , 2 0 1 1 , P F E F F E R e t a l . , 2 0 1 1 ) . D a n s c e
p a p i e r , n o u s p r é s e n t e r o n s l a c o m p a r a i s o n d e s m e s u r e s g r a v i m é t r i q u e s e t h y d r o l o g i q u e s
s u r l e s i t e l e p l u s h u m i d e d u d i s p o s i t i f ( N a l o h o u , 1 . 6 0 5 6 ° E - 9 . 7 4 2 4 ° N ) s u r l e s i t e
s o u d a n i e n d e l ' O b s e r v a t o i r e h y d r o l o g i q u e A M M A - C a t c h ( h t t p : / / w w w . a m m a -
c a t c h . o r g / ) . L ' o b j e c t i f e s t d e v é r i f i e r q u e l e s f l u c t u a t i o n s g r a v i m é t r i q u e s s o n t
c o h é r e n t e s a v e c n o t r e c o n n a i s s a n c e h y d r o l o g i q u e t a n t d a n s l a d y n a m i q u e s a i s o n n i è r e
q u e d a n s l a q u a n t i f i c a t i o n d e l a p o r o s i t é d e d r a i n a g e d e l ' a q u i f è r e . N o u s u t i l i s o n s p o u r
c e l a u n e m o d é l i s a t i o n s i m p l e f a i s a n t i n t e r v e n i r u n s o u s - s o l h o m o g è n e . C e m o d è l e e s t
c o m p l e x i f i é d a n s n o t r e s e c o n d e c o m m u n i c a t i o n ( H E C T O R e t a l . , 2 0 1 l b ) .
2 . Z O N E D ' É T U D E
L e s i t e d e N a l o h o u e s t s i t u é d a n s l e b a s s i n d e l a D o n g a , a f f l u e n t d e l ' O u é m é , p r i n c i p a l
f l e u v e d u B é n i n . L ' e n s e m b l e d e l a z o n e r e p o s e s u r u n s o c l e p a r a m é t a m o r p h i q u e
( m i c a s c h i s t e , g n e i s s e t m i g m a t i t e ) . L e r e l i e f e s t f a i b l e . L e c l i m a t e s t d e t y p e s o u d a n i e n
à 2 s a i s o n s c o n t r a s t é e s ( p l u i e m o y e n n e a n n u e l l e : 1 1 9 2 m m s u r l a p é r i o d e 1 9 7 0 - 2 0 0 6 )
a v e c e n v i r o n 6 0 % d e p l u i e e n t r e j u i l l e t e t s e p t e m b r e . L e s n a p p e s s o n t l i b r e s e t
l o c a l i s é e s à f a i b l e p r o f o n d e u r d a n s l e s a l t é r i t e s d u s o c l e .
3 . M A T É R I E L E T M É T H O D E
3 . 1 . M e s u r e s h y d r o l o g i q u e s
3 . 1 . 1 . P i é z o m é t r i e
L a p i é z o m é t r i e e s t e n r e g i s t r é e d e p u i s 2 0 0 3 . L e b a t t e m e n t d e l a n a p p e e s t d e 4 m e t s e
c a r a c t é r i s e p a r u n e m o n t é e b r u t a l e f i n j u i n , u n m a x i m a m i - s e p t e m b r e p u i s u n e l e n t e
d é c r o i s s a n c e p e n d a n t l e s 9 m o i s s u i v a n t s .
- 1 9 4 -
36èmes Journées Scientifiques du GFHN- Sème colloque GEOFCAN - Orléans - 29 nov-I déc 2011
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Ô.
Fig.1 - Données hydrologiques: Graphique inférieur: chronique piézométrique ;
Graphiq ue supéri eur: stock d'eau 0-6 m obtenu par mesures neutroniques (en
équivalent lame d ' eau). Les barres verticales représentent les dates de mesure du
gravimètre absolu .
3.1.2. Humidi té
Depuis avril 2009, des mesures neut roniques sont effectuées tous les 0.5 m dans un
forage à coté du gravi mètre. L' int érêt de cett e méthode est de permettre de calculer les
varia tions de stock d'eau (en équiva lent lame d' eau) , moyennant un étalonnage à
l' aide de prélèvements de sol effectués à 2 périodes hydriques différentes.
3.2. Mesures gravimétriques FG5
Depuis juillet 2008, 4 mesures sont réali sés annuellement aux dates clés du cyc le
hydrologique. Les données son t corrigées des effe ts temporels (ma rées terr estres,
charge océanique, pression atmosphérique et mouvement des pôles), et les résidus
obtenus sont supposés être uniquement liés à l'h ydrologie. Les effets hydrologiques
sont de trois types : effet newtonien direct des variat ions de stocks d'eau, répon se
poro-élastique du sous-so l aux variati ons de saturation, effet de charge induisant une
déformation élastique régio nale. Le tro isième effe t est estim é à partir de modèles
globaux et retiré à la mesure, tandis que le seco nd est supposé négligeab le.
3.3. Méthode
L'effet gravimétrique des var iations de stocks souterrains a été modé lisé en prenant
comme hypothèse un sous-sol homogène. Les variations piézométriques et d'humidité
sont donc uniformémen t distribuées. En fonc tion du rel ief du site, une tranc he d 'eau
infinie de 1 m corres pond à une variation gravi métri que de 45 ugal,
- 195 -
M I L I E U X P O R E U X E T T R A N S F E R T S H Y D R I Q U E S ~ N O V E M B R E Z O U ~ B U L L E T I N D U G . F . H . N - W 5 7
4 . R É S U L T A T E T D I S C U S S I O N
L a c o n v e r s i o n d e s v a r i a t i o n s p i é z o m é t r i q u e s e n s t o c k s h y d r i q u e s n é c e s s i t e d e f a i r e
l ' h y p o t h è s e d ' u n e p o r o s i t é d e d r a i n a g e u n i f o r m e . L e s v a r i a t i o n s g r a v i m é t r i q u e s
d é d u i t e s d e l a v a r i a t i o n d e p i é z o m é t r i e s o n t c o m p a r é e s a u x o b s e r v a t i o n s
g r a v i m é t r i q u e s ( c f . F i g . 2 ) . L e s v a r i a t i o n s g r a v i m é t r i q u e s s i m u l é e s à p a r t i r d e s
m e s u r e s n e u t r o n i q u e s e n t r e l a s u r f a c e e t 6 m d e p r o f o n d e u r s o n t d i r e c t e m e n t
c o m o a r a b l e s a u x m e s u r e s d u g r a v i m è t r e .
1 6
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g . 1 0
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3 / 1 / 0 8 2 1 / 7 / 0 8 6 1 2 / 0 9 2 5 / 8 / 0 9 1 3 / 3 / 1 0 2 9 / ) 1 1 0 1 7 / 4 ; 1 1
F i g . 2 - V a r i a t i o n s g r a v i m é t r i q u e s m e s u r é e s a u g r a v i m è t r e F G S e t s i m u l é e s à
p a r t i r d e s m e s u r e s p i é z o m é t r i q u e s o u d e s m e s u r e s n e u t r o n i q u e s
L e s m e s u r e s g r a v i m é t r i q u e s ( c f . F i g . 2 ) s o n t c o h é r e n t e s a v e c l a d y n a m i q u e a n n u e l l e
d e s s t o c k s . E l l e s s o n t a u s s i s e n s i b l e s a u x v a r i a t i o n s i n t e r a n n u e l l e s : l e s t o c k m i n i m a l
a n n u e l a c r u d e 2 0 0 8 à 2 0 1 0 ( 2 u g a l / a n ) . C e t a c c r o i s s e m e n t e s t c o m p a r a b l e à c e l u i
o b s e r v é e à p a r t i r d e l a p i é z o m é t r i e . I l r é s u l t e d e 2 a n n é e s à p l u v i o m é t r i e e x c é d e n t a i r e .
L e t a u x d e d é c r o i s s a n c e j o u r n a l i e r c a l c u l é e n t r e l e s m e s u r e s g r a v i m é t r i q u e s d e
s e p t e m b r e e t c e l l e d e f i n j a n v i e r v a r i e e n t r e 0 . 0 5 0 à 0 . 0 8 0 f l g a l l j s o i t 1 . 1 à 1 . 8 r r u n / j .
C e s b o r n e s e n c a d r e n t l e s v a l e u r s d é v a p o t r a n s p i r a t i o n e n s a i s o n s è c h e d é t e r m i n é e s p a r
s c i n t i l l o m é t r i e ( G U Y O T e t a l . , 2 0 0 9 ) o u p a r a n a l y s e d u b i l a n h y d r o l o g i q u e ( S E G U I S
e t a l . , 2 0 I l ) .
U n e v a l e u r d e p o r o s i t é d e d r a i n a g e d e 7 % a p e r m i s d ' a j u s t e r l e s v a r i a t i o n s
p i é z o m é t r i q u e s a u x m e s u r e s g r a v i m é t r i q u e s ( c f . F i g . 2 ) . C e t t e v a l e u r e s t d a n s l a
g a m m e ( 2 - 1 0 % ) d e s p o r o s i t é s e f f e c t i v e s d é t e r m i n é e s p a r R M P a u v o i s i n a g e d u
g r a v i m è t r e ( O E S C L O I T R E S e t a l . , 2 0 I l ) . C e p e n d a n t , c e t t e p o r o s i t é d e d r a i n a g e e s t
c o n s i d é r é e c o m m e t r o p é l e v é e c a r l e s v a r i a t i o n s c a l c u l é e s u n i q u e m e n t à p a r t i r d e l a
p i é z o m é t r i e n e p r e n n e n t p a s e n c o m p t e l e s m o d i f i c a t i o n s d e s t o c k s d a n s l a z o n e n o n
s a t u r é e .
L e s m e s u r e s g r a v i m é t r i q u e s s u i v e n t p l u s f i d è l e m e n t l e s v a r i a t i o n s g r a v i m é t r i q u e s
i s s u e s d e l a s o n d e à n e u t r o n q u e c e l l e s c a l c u l é e s à p a r t i e d e l a p i é z o m é t r i e . S e u l e s 2
m e s u r e s g r a v i m é t r i q u e s ( 1 / 4 / 2 0 0 9 e t 1 5 / 7 / 2 0 1 0 ) s ' é c a r t e n t d e l a c h r o n i q u e
n e u t r o n i q u e . L a r a i s o n e s t c e r t a i n e m e n t à r e c h e r c h e r d a n s l e c h o i x d ' u n m o d è l e d e
s o u s - s o l h o m o g è n e . P a r t a n t d e c e t t e i n t e r r o g a t i o n , H E C T O R e t a l . ( 2 0 1 l b ) t e n t e n t d e
r a f f i n e r l e m o d è l e d e s o u s - s o l 3 D o ù l e s s t r u c t u r e s d é t e r m i n a n t l a d i s t r i b u t i o n s p a t i a l e
d e l a p o r o s i t é d e l ' a q u i f è r e o n t é t é é t a b l i s p a r u n e c a r t o g r a p h i e d e s r é s i s t i v i t é s
( O E S C L O I T R E S e t a l . , 2 0 1 1 ) .
- 1 9 6 -
36èmes JournéesScientifiques du GFHN- 8èmecolloqueGEOFCAN - Orléans - 29 nov-l déc 2011
5. CONCLUSION
Confronté à l'épreuve de la connaissance hydrologique de la zone, le gravimètre
absolu apparaît comme un outil pertinent et fiable pour documenter les variations de
stocks. A travers le suivi de 3 cycles hydrologiques, nous avons pu évaluer le stockage
souterrain global interannue1. D'autres perspectives s'ouvrent aussi au-delà du suivi
long terme des stocks souterrains. Dans l'équation classique du bilan hydrologique
« Pluie = Ecoulement + Evapotranspiration + Variation de stock », ce dernier terme
difficile à cerner était souvent le parent pauvre qu'on modulait pour équilibrer le bilan.
Son estimation par gravimétrie offre maintenant la possibilité de fournir des
estimations de l'évapotranspiration, l'autre terme du bilan délicat à définir. Depuis
juillet 2010, un gravimètre supraconducteur est installé sur le site de Nalohou. Suivant
en continu les variations de stocks avec une précision de 0.1 ugal, il permettra
d'affiner notre connaissance des processus hydrologiques grâce à des mesures quasi-
continues.
Remerciements La Direction Générale de l'Eau du Bénin, l'ANR Ghyraf, l'ORE
AMMA-Catch, J,C. Gbodogbe, Théo Ouani, Simon Afouda, Sarah Soubeyran,
Idrissou, Emile, Saré et les villageois de Nalohou.
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(Benin, West Africa). J, Hydrol., 402, 1-13
• 197 -
ISSN: 0991 - 1076
MILIEUX POREUX
ET TRANSFERTS HYDRIQUES
BULLETlN DUGROUPE FRANCOPHONE HUMIDlMÉ1'RlE
ETTRANSFERTS ENMILIEUX POREUX
NOVEMBRE 2011
MILIEUX POREUX
ET TRANSFERTS HYDRIQUES
BULLETIN DU G.F.H.N.
GROUPE FRANCOPHONE HUMIDIMÉTRIE
ET TRANSFERTS EN MILIEUX POREUX
ÉDITION
INRA Orléans
Maud SEGER, Isabelle COUSIN
UR SOLS
2163 avenue de la Pomme de Pin
CS 4000\ Ardon
45075 Orléans Cedex 2
France
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PUBLICATION
CEMAGREF
Carole ISBERIE
UMRG-EAU
3275, route de Cézanne
CS 40061
13182 Aix en Provence cedex 5
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SECRÉTARIAT
AgroSup Dijon
Marjorie UBERTOSI
Dép. Agronomie, Agroéquipement,
Élevage et Environnement
26, Bd Dr Petitjean
BP 87999
21079 DUON cedex, France
tél.: +33 3 807723 46
m.ubertosi@agrosupdijon.fr
SOMMAIRE
JOURNÉES SCŒNTIFIQUES GFHN· GEOPCAN - oR.L:ÉANS
29NOVEMBRE· 1erDÉCEMBJŒ 2011
MILIEUX POREUX ET GÉOPHYSIQUE
COMPOSITION DU CONSEIL D'ADMINISTRATION DU GFBN 5
COMrrt D'ORGANlSAttON ET COMITÉ SCIENTIFIQUE 6
JOURNtu SCIENTIFIQUES DU GFHI'(tt COLLOQUE GEOFCAN 25
DITORIAL D
UslJMtsDIS COMMUNICATIONS 31
BIJI..t&TlND'ADUtslON 29.
CONTENTS
SCIBNTlF1C MIŒTING GFHN-GBOFCAN-OJU...E..\NS
29NOVEMBER.-1 DBCBMDElt.2011
POROUS MEDIA ANDGEOPHYSICS
GFDN MANAGEMENT COMMlTI'EE 5
MEETING GnlN-GEOFCAN Z011: ORGANISATION 6
G.FIINAND GEOFCANMEltTlNGS 25
EDIT01UAI. 29
ABSTRACfS OF COMMUNICATIONS 31
GF'BN REGlSTRATION FORM 294
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L'expérience Ghyraf au Bénin : première comparaison entre suivi gravimétrique absolu et variation de stock hydrique

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