Spatial and inter-annual variability of specific sediment yield: case of hillside reservoirs in Central Tunisia

Abstract

Water erosion is the major process responsible for soil loss in Central Tunisia. It represents a main risk of sedimentation which threatens the lifetime of water and soil conservation works in the region, such as hillside reservoirs. This paper focuses on the study of spatial and inter-annual variability of specific sediment yield (SSY) estimated from sediment yield (SY) of 23 small watersheds of hill reservoirs located in the Tunisian Dorsal and the Cap Bon regions. The calculated values of mean inter-annual specific sediment yield varied from 180 to 3298 t/km²/year, over a period of 12 years (from 1994 to 2006). The selected catchments were classified into three groups according to their SSY data. The SSY map, elaborated with a geographical information system (GIS), showed an important spatial variability between watersheds of the same group. Moreover, analyses of the coefficient of variation (CV) showed that 70% of the considered sites demonstrate a tendency to moderate and high inter-annual variability of SSY. In order to identify the principal factors governing variability of erosion and sedimentation, a multiple regression analysis was carried out using nine parameters characterizing morphology, topography, land cover, climate and protection works of the 23 considered sites. The generated model revealed that 85% of SSY variability is correlated to seven principal factors, which are drainage area (A), rainfall intensity recorded in 30 min (I ₃₀), percentage of water and soil conservation works, percentage of clay and carbonate in soils, vegetation land cover, overall slope index (I _G) and rainfall amount (R _a). The obtained SSY results were compared to others cited in a large bibliographical synthesis of studies carried out at the planet scale. We deduced that the SSY values obtained in this study are among the relatively high series in the world. The high variability of specific erosion rates in Central Tunisia is believed to be related to the semi-arid climate, characterized by the irregularity and the severity of storms and the spatial and temporal variability of other multiple factors affecting erosion processes.

Résumé

L’érosion hydrique est le processus principal responsable de la dégradation des sols en Tunisie Centrale. En effet, il représente un risque majeur d’envasement qui menace la durée de vie des travaux de conservation des eaux et des sols dans la région, telle que les retenues collinaires. Cette étude s’intéresse à la variabilité spatio-temporelle de l’érosion spécifique, dans 23 bassins versants de lacs collinaires, estimée à partir de leurs taux d’envasement. En effet, ces valeurs montrent que l’érosion spécifique moyenne interannuelle varie ente 180 et 3298 t/km²/an, sur une période de 12 ans (à partir de 1994 jusqu’à 2006). Dans cette étude on propose une typologie des bassins versants sélectionnés selon leurs taux d’érosion spécifique et leurs taux d’envasement. La carte des taux d’érosion spécifique, élaborée moyennant un système d’information géographique (SIG) a montré une importante variabilité spatiale de l’érosion spécifique entre les bassins versants d’un même groupe. L’analyse de l’écart type de l’érosion spécifique a dévoilé que 83% de la totalité des sites étudiés présentent une tendance à une variabilité inter-annuelle modérée à forte du processus d’érosion. Afin d’identifier les facteurs qui contrôlent cette variabilité on a procédé à une analyse de régression multiple sur un ensemble de 9 variables caractérisant les 23 bassins choisis. Le modèle élaboré montre que 85% de la variabilité de l’érosion spécifique en Tunisie Centrale dépend de 7 principaux facteurs qui sont la surface de drainage (A), l’intensité maximale des pluies enregistrée en 30 mn (I₃₀), la longueur de drain principal (L), le pourcentage des marnes et des argiles dans les sols (ERL), le couvert végétal (LVC), le pourcentage d’aménagement du bassin versant (WSCW) et la hauteur de la lame d’eau ruisselée (R_a). Dans la deuxième partie de cette étude nous avons fait une comparaison entre les valeurs de l’érosion spécifique obtenues dans le cadre de cette étude et d’autres valeurs citées dans une synthèse bibliographique des études effectuées à l’échelle du globe. Nous avons déduit que les taux d’érosion spécifique en Tunisie Centrale sont parmi les valeurs élevées dans le monde, mais ils ne sont pas les plus élevés. Cette importante variabilité des taux spécifiques de l’érosion en Tunisie Centrale est liée au climat semi-aride, caractérisé par l’irrégularité et la sévérité des événements pluvieux et la variabilité spatio-temporelle de plusieurs facteurs affectant le processus érosif.