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3. Systèmes de collecte de l'eau

3.1 Configuration et utilisation
3.2 Aires de captage
3.3 Stockage de l'eau

3.1 Configuration et utilisation

La configuration géométrique des systèmes de collecte de l'eau dépend de la topographie, du type de traitement de captage, de l'utilisation prévue et des préférences personnelles. Les micro-captages, les bandes d'absorption, les captages en chaussées et les radiers sont quelques-uns des types les plus courants. On trouvera des illustrations de ces différents systèmes dans Frasier et Myers (1983) et Thames et Fischer (1981).

Les micro-captages et les bandes d'absorption peuvent être efficaces les années où la pluviométrie est normale ou supérieure à la normale, mais la plupart des cultures annuelles échoueront les années de sécheresse. Elles conviennent le mieux à l'agro-foresterie, où l'on fait pousser des arbres ou d'autres espèces pérennes résistant à la sécheresse. L'utilisation de micro-captages implique la préparation de petites aires de captage sur le bas-côté desquelles on fait pousser une ou plusieurs plantes. L'aire de collecte peut varier entre 20 et 1000 m2 selon les précipitations dans la zone et les besoins des plantes. Le procédé du micro-captage peut être utilisé en terrain complexe ou sur des pentes raides où d'autres techniques de collecte de l'eau peuvent être difficiles à appliquer.

La culture en bandes est une variante de la méthode des micro-captages. Des banquettes sont établies le long des courbes de niveau et l'espace intercalaire est préparé pour servir de surface de collecte des précipitations. L'écoulement entre les banquettes est alors concentré au-dessus de la banquette inférieure pour irriguer la végétation qui y a été plantée. Il est conseillé de ne choisir pour cela que des plantes très résistantes à la sécheresse.

Les systèmes de type radier sont utilisés principalement pour les besoins du bétail et de la faune et les besoins domestiques. La surface de captage (radier) est traitée pour obtenir une grande efficacité de ruissellement, à moins que l'on puisse utiliser une surface imperméable existante. On utilise couramment aux États-Unis de la fibre de verre goudronnée recouverte de gravier. Les systèmes sont conçus pour nécessiter un entretien minime et doivent être clôturés. Il faut une citerne de stockage à évaporation contrôlée et munie des tuyaux et valves nécessaires pour amener l'eau aux abreuvoirs ou aux habitations. Le système de type radier est le plus simple à concevoir. Pour évaluer la dimension du radier nécessaire, on peut se servir à titre de première approximation de l'équation suivante:

où

A = surface de captage en m²
U = besoin annuel en eau exprimé en litres
P = précipitation moyenne annuelle en mm.

Les captages en chaussées conviennent bien à l'agro-foresterie et aux cultures horticoles de haute valeur (notamment arbres fruitiers, noyers, vignes, etc.). Ils conviennent aussi pour l'abreuvement du bétail. Ces captages s'adaptent le mieux aux terrains en pente très douce.

Un captage en chaussées se compose de rangées parallèles de drainage de 100 m de long ou moins, espacées de 15 à 18 m. Des arbres ou des espèces horticoles sont plantés dans les tranchées. La vigne a ainsi très bien réussie en Arizona.

Les espaces situés entre les tranchées ont la forme de routes fortement bombées, ce qui permet le captage. Les pentes latérales des chaussées et les pentes longitudinales des tranchées ne doivent pas dépasser environ 2% afin d'éviter l'érosion. On élimine la végétation sur les chaussées de captage qu'on lisse puis traite pour réduire l'infiltration. Le chlorure de sodium s'est révélé efficace en Arizona. Si l'on veut cultiver des espèces horticoles de haute valeur, il faut prévoir un stockage de l'eau pour pouvoir disposer d'une eau d'irrigation supplémentaire. Ceci est facile à réaliser en acheminant l'excédent d'eau des tranchées vers un bassin de stockage.

La collecte de l'eau destinée à l'agriculture nécessite un système plus complexe que pour les autres usages. La dimension de l'aire de captage par rapport à celle de l'aire cultivée doit être adaptée à la topographie des besoins des cultures à condition qu'il y ait une surface horizontale à cultiver et que l'on prenne soin lors de la construction du captage d'établir des pentes faibles ou, en terrain à forte déclivité, de courts segments de pente interrompus par des diversions.

Il est recommandé d'utiliser des réservoirs à trois compartiments. Des pompes électriques, à moteur ou éoliennes sont généralement nécessaires pour transférer l'eau entre les retenues et actionner le système d'irrigation. Dans certains terrains à forte pente, des systèmes à gravité sont éventuellement possibles. Étant donné que d'assez grandes quantités d'eau sont généralement nécessaires, des captages efficaces sont eux aussi nécessaires. Mais les traitements peuvent être coûteux. Le traitement par le chlorure de sodium est l'un des moins coûteux dans certaines zones et est efficace là où le sol comporte une quantité suffisante (environ 10% ou plus) d'argiles expansives.

La collecte de l'eau pour l'agriculture de subsistance promet d'être fort utile pour atténuer les problèmes d'alimentation et de nutrition des terres arides. Des systèmes ont été installés avec succès et sont très prometteurs mais ils impliquent une formation aux nouvelles techniques; il faut par ailleurs disposer de davantage d'informations en provenance des diverses parties du monde sur la phénologie et les besoins en eau des cultures et il faut que des projets supplémentaires de démonstration soient mis en place dans diverses conditions économiques, sociales et climatologiques, afin de pouvoir mettre au point des directives de portée universelle.

3.2 Aires de captage

L'aire de captage d'un système de collecte de l'eau est une surface raisonnablement imperméable à l'eau et pouvant servir à créer un ruissellement. Ce sont notamment: 1) des surfaces naturelles telles qu'affleurements rocheux; 2) des surfaces créées à d'autres usages telles que routes, pistes d'aviation ou toits de maison; 3) des surfaces préparées moyennant un coût et un effort minimes telles que les surfaces défrichées ou dépierrées ou lissées ou à la fois lissées et compactées; 4) des surfaces traitées chimiquement avec des sels de sodium, silicones, latex ou huiles; 5) des surfaces recouvertes d'asphalte, de ciment, de caoutchouc butyle, de feuilles métalliques, de plastique, de papier goudronné ou de tôle.

Le traitement de surface choisi dépendra des matériaux, de la main-d'oeuvre et des crédits disponibles. En général, plus l'efficacité du ruissellement et la durée du traitement seront grandes, plus le coût sera élevé. À une extrémité de l'échelle, un simple lissage et compactage de sols non poreux est suffisant mais nécessite un entretien annuel. À l'autre extrémité, on trouve la fibre de verre imprégnée de bitume et couverte de gravier, qui peut durer 20 ans ou davantage (voir Thames et Fisher, 1981).

Myers (1975) énumère quelques-unes des caractéristiques souhaitables des traitements:

1. Le ruissellement de la surface ne doit être toxique ni pour l'homme ni pour les animaux.

2. La surface doit être lisse et imperméable à l'eau.

3. Le traitement doit être très résistant aux intempéries et ne pas se détériorer par processus chimique ou physique.

4. Le traitement ne doit pas nécessairement présenter une grande robustesse mécanique, mais il doit pouvoir résister à la grêle, à des pluies intenses, au vent, au passage occasionnel d'animaux, à un débit modéré d'eau, à la croissance végétale, aux insectes, aux oiseaux et aux animaux fouisseurs.

5. Le matériau ne doit pas être onéreux en termes de coûts annuels et ne doit nécessiter qu'une préparation minimum du site

6. L'entretien doit être simple.

Il est évident qu'aucun traitement ne peut présenter toutes ces caractéristiques à la fois. Il faut arriver à un compromis, mais l'objectif majeur est souvent de réduire au minimum le coût à long terme. Le Tableau 1 donne des estimations des coûts de l'eau recueillie par divers types de traitement de captage aux États-Unis.

Le choix du captage le moins coûteux peut parfois être un mauvais choix. Des captages simples lisses produisent par exemple de l'eau à très peu de frais mais n'assurent pas de ruissellement lors des petites averses qui caractérisent les périodes de pluie dans beaucoup de zones arides. Il peut être nécessaire de construire une structure importante et coûteuse pour stocker de l'eau en prévision de la période où il n'y aura pas de ruissellement. L'addition du coût d'un captage lisse simple et celui de l'important réservoir nécessaire pourrait dépasser le coût d'un captage plus onéreux qui assure un ruissellement lors de petites averses. Une méthode a été mise au point pour les systèmes d'eau destinée au bétail et aux usages domestiques afin de déterminer le coût le plus faible d'une combinaison regroupant le coût unitaire de construction du captage et des moyens de stockage, l'efficacité de captage, le calendrier des besoins d'eau et le schéma des précipitations (Frasier et Myers, 1983)

3.3 Stockage de l'eau

Il existe essentiellement trois types de moyens de stockage: 1) le profil du sol, 2) des bassins creusés et 3) des réservoirs ou des citernes. Dans l'antiquité, les premiers systèmes de collecte de l'eau étaient des dispositifs simples dans lesquels l'eau était dirigée des pentes des collines vers les zones cultivées dans l'idée de stocker immédiatement l'eau dans le sol pour les plantes. La question était de savoir si l'on pouvait stocker suffisamment d'eau pour faire face à une sécheresse prolongée. Cette méthode reste valable aujourd'hui et peut être appliquée en agro-foresterie pour cultiver des variétés résistant à la sécheresse d'arbres et d'autres plantes de valeur économique

Le creusement de bassins est souvent le seul moyen économique de stocker les grandes quantités d'eau nécessaires pour l'agriculture de ruissellement. Mais l'évaporation et l'infiltration posent de sérieux problèmes. L'élimination de l'évaporation sur les retenues en est encore au stade expérimental. La réduction des surfaces, les méthodes réflectives, les films de surface, les couvertures mécaniques, les billes de mousse de polystyrène et même des boîtes en plastique vides ont été utilisés. La plupart ont été efficaces jusqu'à un certain point, mais il reste à mettre au point une méthode qui soit simple et économique. Les films de surface ne sont généralement pas économiques sur de petits captages. Les films réflectifs ne le sont pas non plus.

Tableau 1. Coûts de l'eau pour différents traitements de captage (Frasier, 1975)

¹ Sur la base de la durée de vie du traitement à 6% d'intérêt.

Les méthodes réflectives (billes flottant à la surface) sont inefficaces en cas de vent. Certains types de couverture mécanique flottante ont été efficaces dans des situations expérimentales mais la plupart durent peu et elles sont toutes coûteuses.

Deux méthodes peu coûteuses de réduction de la surface d'évaporation, qui ont donné de bons résultats dans certains cas, sont celle du système de réservoirs compartimentés (Cluff, 1981) et celle de réservoirs remplis de sable ou de pierres. La première consiste à pomper de l'eau entre deux ou trois bassins de façon à réduire au minimum la surface totale. Les réservoirs à sable ou à pierres sont des structures qui sont soit volontairement remplies de pierres, soit conçues pour recueillir le gravier et le sable en plus de l'eau. Le barrage est parfois construit par étapes, de façon que les sédiments grossiers soient les seuls à se déposer mais, une fois rempli, environ 50% de la capacité seront inutilisables. Un puits est percé en arrière ou à travers le barrage pour prélever l'eau emmagasinée. L'évaporation cesse lorsque le niveau de l'eau est descendu à 1 m environ en dessous de la surface des sédiments.

Dans une étude de l'équilibre hydrique de trois bassins dans le sud de l'Arizona, l'infiltration a représenté de 58 à 87% de la perte totale annuelle d'eau. Il est plus facile et moins coûteux de lutter contre les pertes par infiltration que par évaporation. Des agents chimiques dispersants, de la bentonite, du ciment, des liners, de l'asphalte, du sel et la simple compaction ont tous été utilisés avec succès pour étanchéifier les captages. La méthode de traitement et le taux d'application sont fonction du type de sol, du but du captage, de la dureté des cycles humides et secs et de considérations économiques.

Les réservoirs ou les citernes peuvent être utilisés efficacement pour les besoins domestiques et l'abreuvement du bétail. L'élimination des pertes par infiltration et évaporation est moins difficile et moins coûteuse à réaliser. Tout conteneur pouvant retenir l'eau est en puissance un moyen de stocker de l'eau. Le stockage d'eau à l'extérieur est un élément nécessaire des systèmes d'adduction d'eau potable et peut aussi faire partie d'un système d'agriculture par ruissellement, où l'eau est appliquée à la zone cultivée par un système d'irrigation. Dans de nombreux systèmes de collecte de l'eau, le système de stockage et de distribution de l'eau est l'élément le plus onéreux et peut représenter jusqu'à 50% du coût total.

Il existe un nombre presque infini de types, de formes et de dimensions de moyens de stockage en bois et en plastique renforcé. Leur coût et leur disponibilité sont des facteurs essentiels pour déterminer s'ils peuvent convenir. Un moyen de stockage courant consiste en un réservoir en acier à parois verticales et dont le fond est fait de béton ou d'autre matériau imperméable. Les moyens de stockage en béton et en plâtre sont relativement peu coûteux mais demandent beaucoup de travail à la main. L'installation de toits au-dessus des réservoirs est une technique courante pour éliminer l'évaporation, bien qu'ils soient généralement coûteux. Les couvertures flottantes en mousse de caoutchouc synthétique de faible densité sont un moyen efficace de lutter contre l'évaporation de l'eau stockée dans des réservoirs à parois verticales ouverts par en haut et ne coûtent pas cher.

4. Contraintes et stratégies

4.1 Nécessité et acceptation
4.2 Quantité d'eau
4.3 Qualité de l'eau
4.4 Autres sources d'eau
4.5 Précipitations
4.6 Matériaux et main-d'oeuvre
4.7 Entretien

La stratégie à adopter pour créer un système de collecte de l'eau dépend d'un certain nombre de contraintes. Quelques-unes des plus importantes à prendre en compte sont les suivantes:

1. La nécessité de l'accord de la communauté locale qui doit dire si le système est à utiliser pour le bétail, pour les usages ménagers, pour l'agro-foresterie ou pour l'agriculture.

2. La quantité et la qualité d'eau nécessaire pour répondre à cette nécessité.

3. La disponibilité d'autres sources moins coûteuses qui pourraient être exploitées.

4. La quantité, la répartition saisonnière et la variabilité des précipitations.

5. Les matériaux, la main-d'oeuvre et les machines disponibles qui conviennent pour installer un système de collecte de l'eau ne doivent pas dépasser les limites budgétaires.

6. Les dispositions concernant l'entretien.

4.1 Nécessité et acceptation

La nécessité d'une mise en valeur des ressources en eau est évidente dans presque toutes les terres arides. Le problème est de concilier cette nécessité avec ce qui est possible. En outre, l'utilisateur doit être pleinement conscient à la fois des avantages potentiels et des limitations du système proposé. La population rurale des terres arides est, et cela se comprend, conservatrice. Elle ne peut prendre de risques pour sa survie en adoptant des méthodes qui n'ont pas fait leurs preuves. Mais le succès d'un projet de collecte de l'eau est subordonné en définitive au soutien total de l'utilisateur en faveur d'un fonctionnement et d'un entretien corrects. L'utilisateur doit être convaincu que le système est celui qui répond le mieux à ses besoins.

Là où les notions de collecte de l'eau et d'agriculture par ruissellement ne sont pas totalement acceptées, il faut que le premier système installé soit construit avec des matériaux qui nécessitent un minimum de maintenance et ont une efficacité maximum. Les dépenses supplémentaires exposées pour construire un système de ce genre peuvent être nécessaires pour s'assurer l'accord de l'utilisateur. Une fois l'idée acceptée, il est souvent possible d'utiliser pour des équipements ultérieurs des matériaux et des techniques moins coûteux, même si ces systèmes meilleur marché présentent peut-être plus de risques d'échec ou exigent des efforts supplémentaires de la part de l'utilisateur. Si on lui a prouvé que les idées sont valables, il est plus probable qu'il fera l'effort nécessaire pour exploiter et entretenir le système correctement.

4.2 Quantité d'eau

À l'exception des systèmes de collecte de l'eau qui ne nécessitent pas de stockage (par exemple les micro-captages et les bandes d'absorption), les autres systèmes doivent être conçus pour fournir la quantité d'eau nécessaire au moment voulu.

Pour le bétail, le besoin dépend de l'époque de l'année où le système est censé fournir de l'eau, époque qui est fonction des systèmes de pâturage et de la répartition mensuelle des précipitations. Pour la plupart des installations, de nombreuses combinaisons des dimensions de captage et de stockage assureront les quantités d'eau voulues. Le problème est de trouver la combinaison la plus économique (voir la méthode exposée par Frasier et Myers (1983)).

Pour les besoins domestiques, entre 20 et 40 litres par jour sont nécessaires pour la cuisine, la boisson et la lessive, selon la façon dont l'eau est conservée. Le système doit être conçu en tenant compte de ce besoin minimum et aussi de toute perte éventuelle par évaporation ou infiltration.

Les systèmes de collecte de l'eau destinés à l'agriculture sont plus difficiles à concevoir. Il existe peu d'informations sur les besoins totaux minimums en eau des cultures, bien qu'il existe de nombreuses données sur la consommation des cultures qui reçoivent de l'eau en abondance. Le moment où l'on a besoin de l'eau est tout aussi important dans le calcul du besoin total. Ce sont Erie, French, Bucks et Harris (1982) et Doorenbos et Kassam (1979) qui fournissent à ce jour les informations les plus utiles sur la consommation. La conception du système de collecte de l'eau doit se conformer aux schémas saisonniers d'utilisation de l'eau depuis la plantation ou le semis jusqu'à la récolte. Ce type d'information a été établi pour de nombreuses cultures en irrigation extensive et le chiffre est probablement plus élevé que ce que nécessiteraient de nombreuses applications de l'agriculture par ruissellement. Pour bien concevoir les systèmes de récolte de l'eau à usage agricole, il faut établir ou estimer ces types de rapport et les confronter à la quantité d'eau disponible pour déterminer la fréquence et le volume de l'irrigation.

4.3 Qualité de l'eau

L'eau recueillie par une aire de captage peut contenir des organismes et des impuretés solubles dans l'eau provenant de la poussière déposée sur la surface par le vent ou des produits chimiques polluants provenant directement du traitement (par exemple sel, silicones, goudrons, huiles, etc.) ou encore des sous-produits dus à la détérioration des matériaux de traitement du fait des intempéries. L'asphalte et certains plastiques sont détériorés et transformés par le soleil et la chaleur en produits solubles dans l'eau. Les excréments des animaux peuvent être une source de bactéries et de virus si la zone n'est pas protégée contre les bêtes. Toutefois, la qualité de l'eau obtenue avec la plupart des traitements de surface est généralement suffisante pour le bétail, mais des filtres sont nécessaires le plus souvent du temps pour la consommation humaine. Aucun des traitements de surface (même le traitement au sodium) qui ont réussi ne semble avoir d'incidence sur la production végétale.

4.4 Autres sources d'eau

Bien que la collecte de l'eau ne soit pas nécessairement un moyen coûteux de mise en valeur, il peut exister d'autres sources d'eau proches qui peuvent être exploitées à moindres frais ou qui assureraient un approvisionnement plus fiable. Par exemple, les sources qui ne sont pas exploitées ou qui le sont insuffisamment, une nappe phréatique peu profonde qui peut recevoir une alimentation fiable le long d'un front montagneux, une nappe perchée qui pourrait être mise en valeur à l'aide de puits horizontaux peuvent offrir des possibilités. Ces types de sources doivent faire l'objet d'études approfondies avant le lancement d'un projet. Il faut évaluer toutes les sources potentielles d'eau du point de vue de leur nombre, de leur emplacement, de leur rendement, de leur fiabilité et de leur qualité S'il y a d'autres sources qui peuvent être commodément et économiquement exploitées mais dont le rendement ou la fiabilité ne sont pas suffisants, on peut les utiliser pour compléter un système de collecte de l'eau Si la qualité de l'eau est médiocre (forte teneur en sel par exemple), l'eau recueillie peut permettre une dilution suffisante pour l'usage prévu

Si l'on intègre des sources intermittentes telles que des débits éphémères dans les oueds dans le système global d'approvisionnement en eau, on peut dans certains cas installer un système de collecte de l'eau moins important. L'eau recueillie peut être économisée pour les périodes où les sources éphémères sont insuffisantes ou complètement à sec Ce type de combinaison ne permet pas seulement d'économiser du temps et de l'argent mais peut aussi être d'une très grande importance dans les longues périodes de sécheresse

4.5 Précipitations

La quantité, le moment et la variabilité des précipitations qui se produisent au cours d'une saison ou d'une année jouent un rôle déterminant dans la conception d'un système de collecte de l'eau Pour les connaître, le mieux est de disposer de relevés journaliers portant sur de longues périodes, relevés qui, dans les terres arides, doivent porter sur 15 à 20 années au moins Si les écarts entre les années sont importants, il faut éliminer les données correspondant aux deux années les plus humides Si les données dont on dispose portent sur des périodes suffisamment longues, on pourra utiliser des méthodes stochastiques pour déterminer les probabilités de périodes extrêmes (Duckstein et Fogel, 1972) La pluviométrie annuelle moyenne n'est pas un très bon indicateur de l'eau disponible car il y aura davantage d'années où les précipitations seront inférieures à la moyenne que d'années où elles lui seront supérieures.

Pour compenser les années sèches, on peut accroître la dimension et l'efficacité des aires de captage et des moyens de stockage. Mais quelle que soit la conception, l'opération sera risquée en raison de l'incertitude des précipitations. C'est à l'utilisateur de déterminer l'importance du risque qu'il peut admettre s'il y insuffisance des précipitations pendant certaines périodes.

En termes très généraux, si les précipitations annuelles ne sont pas supérieures à environ 150 mm, l'agro-foresterie peut être pratiquée avec des espèces indigènes ou ayant une résistance prouvée à la sécheresse, en utilisant des micro-captages ou des bandes de niveau. On peut aussi utiliser des systèmes destinés à l'abreuvement du bétail, mais il faudra des réservoirs de stockage protégés des pertes par évaporation ainsi que des aires de captage efficaces. Les années où les précipitations annuelles dépassent 250 mm, des systèmes agricoles sont possibles si l'on dispose de moyens efficaces de stockage de l'eau, mais quand elles sont en moyenne de 250 à 300 mm (à moins que la période de précipitation ne coïncide avec la saison de végétation), il faut utiliser des cultures résistant à la sécheresse. Au-dessus de 300 mm, presque toutes les cultures classiques peuvent être pratiquées. Là où la pluviométrie annuelle est inférieure en moyenne à 50-80 mm, la collecte de l'eau ne sera probablement jamais rentable.

La dimension finale de l'aire de captage doit être déterminée en calculant un budget d'eau hebdomadaire ou mensuel dans lequel l'eau collectée figure en face du besoin en eau, de façon à s'assurer qu'il n'y a pas de période critique où l'eau sera insuffisante.

Des systèmes plus petits peuvent souvent être utilisés lorsque les périodes de précipitation maximale coïncident avec les périodes d'utilisation maximale. Des systèmes plus importants comportant une grande capacité de stockage sont nécessaires lorsque les périodes de précipitation maximale se produisent après les périodes où les besoins en eau sont les plus grands et qu'il peut être nécessaire de stocker l'eau pendant 6 à 9 mois.

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