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Contexte technique
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Contexte technique

Le développement d'OPIDIN est basé sur le suivi des niveaux d'eau dans le Haut-Niger et le Delta Intérieur du Niger par la Direction Nationale de l’Hydraulique au Mali. Cette section explique comment ces données à long terme sont utilisées pour une prévision fiable de la crue et la décrue.

Données hydrométriques

Dans le Delta Intérieur du Niger, la hauteur de l'inondation peut atteindre six mètres, engloutissant lentement un secteur de 400 par 100 kilomètres. Il se trouve que la montée et la baisse saisonnières de l'inondation dans ce secteur ont été mesurées quotidiennement par la DNH à plusieurs stations hydrologiques pendant plusieurs décennies, produisant ainsi des séries chronologiques de grande valeur. Le niveau de l'eau dans le Delta Intérieur du Niger est bas d'avril à juin, et commence à monter en juillet. Pendant l'inondation et la décrue, le niveau d'eau monte et baisse de 3 à 5 cm par jour. Cela donne la possibilité de prévoir le niveau d'inondation pour un avenir proche, en tenant compte du fait que pendant les années de forte inondation, la montée du niveau d'eau se fait à un taux plus élevé que pendant les années de faible inondation maximale.

Cependant, les années ne diffèrent pas beaucoup en moyenne dans la vitesse de montée ou de décrue. Les différences annuelles du niveau d'inondation maximal sont principalement déterminées par la durée de la période de montée du niveau. Pendant les années avec un écoulement faible du fleuve, l'eau atteint une hauteur d'environ 3,5 m, avec un pic fin octobre à Akka. Lors des années plus humides, le niveau d'eau monte sur une période plus longue, avec un pic à 6 m vers fin décembre. Habituellement, les inondations basses ne recouvrent les zones inondables que durant quatre mois seulement (Octobre-février), mais les crues hautes les inondent pour deux fois plus de temps (septembre-avril).

Le niveau d'eau à Mopti durant la période sèche est en moyenne 100 cm à l'échelle locale. Dans les années sèches, le niveau d'inondation s'élève à 380 cm au-dessus de ce niveau, mais plus de 600 cm au cours des années humides (figure 2). Le niveau de l'eau en juin, et même en juillet, ne peut pas être utilisé pour prévoir le niveau maximal que la crue atteindra. Les analyses statistiques dans le modèle d'OPIDIN montrent que lorsque le niveau de l'eau en août est encore bas, on peut être plutôt sûr que le niveau maximum de l'inondation sera bas aussi, alors qu'une haute inondation peut être prévue si le niveau de l'eau en août est élevé. Par exemple, quand le niveau d'eau à Mopti le 1er août est de 200 cm, il est possible de prévoir que le niveau d'inondation maximal sera atteint déjà en octobre avec un niveau maximal d'environ 500 cm. Cependant, si le niveau d'eau à la même date est déjà de 400 cm, la prévision est que le niveau d'inondation maximal sera atteint en novembre avec une cote d'environ 700 cm. Au début du mois d'août, la prédiction du niveau d'eau maximal attendu n'est pas encore précise. Dix jours plus tard, la prévision est déjà meilleure et le 30 août, le niveau d'inondation maximal peut être prévu avec une bonne précision ainsi que la date correspondante. Pendant le mois de septembre, les prévisions du niveau maximal de la crue deviennent de plus en plus précises, mais il demeure difficile de prévoir la date à laquelle le pic sera atteint. Tous les détails concernant la méthode sont fournis dans un rapport.

Pour connaître le niveau d'inondation prévu, allez à la Visionneuse d'inondation.

OPIDIN est un ensemble d'équations de régression curvilinéaire basées sur les mesures quotidiennes du niveau d'eau de huit stations hydrométriques dans le Delta Intérieur du Niger : Ké-Macina, Mopti, Akka, Niafunke, Dire, Douna, Beneny Kegny et Sofara. Pour toutes ces stations, de longues séries de mesures sont disponibles, pour Douna depuis 1922 et pour Mopti depuis 1923. La station principale pour OPIDIN est Mopti puisqu'elle mesure le niveau d'eau après que le Bani ait rejoint le Fleuve Niger. La station d'Akka est également très importante à cause de sa position centrale dans le Delta Intérieur.

Les 8 stations hydrométriques le long le Bani inférieur et dans le Delta Intérieur du Niger

Fig. 1. Les huit stations hydrométriques utilisées par OPIDIN le long du Bani inférieur et dans le Delta Intérieur du Niger.

Nous avons calculé les relations entre le niveau d'inondation maximal à Mopti, Akka et Dire en fonction du niveau d’eau à Mopti le 1er août, le 5 août, le 10 août, etc. jusqu'au 10 octobre. Les valeurs prévues pour les jours intermédiaires ont été interpolées. Les mêmes calculs ont été faits non seulement pour le niveau d'inondation maximal, mais également la date à laquelle l'inondation maximale est atteinte. L'intervalle de confiance de 95% a été calculé. Le résultat est une grande table à partir de laquelle le pic de la crue (son niveau et sa date avec un intervalle de confiance de ± 95%) est prévu à Mopti, Akka et Dire en fonction d'une gamme étendue de niveaux d'eau observés chaque jour entre le 1er août et le 15 octobre.

Le barrage de Selingue a modifié la variation saisonnière de l'écoulement du Niger. Une partie de l'écoulement au début de la saison des pluies est stockée pour remplir le réservoir, qui est vidé ensuite pendant la saison sèche. Le barrage de Selingue est exploité depuis 1982. Pour prendre en considération son impact, le réservoir a été intégré dans les équations de régression ; plus de détails sont donnés à ce sujet dans un rapport. Le résultat est donné dans la Visionneuse d'inondation.

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Fig. 2. La variation du niveau d'eau (cm) à Mopti depuis 1923 entre le 1er juin et le 1er juin de l'année suivante. Quand l'inondation est basse, la crête est atteinte début octobre, mais pendant les années humides, la crête est atteinte plus d'un mois plus tard.

OPIDIN utilise cet ensemble de données pour prévoir l'inondation maximale par rapport au niveau d'eau mesuré 2 ou 3 mois avant.

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Fig. 3. Ce graphique montre la variation annuelle du niveau maximal de la crue à Mopti depuis 1943 (ligne rouge) et pour la même période le niveau d'eau le 20 août (ligne bleue). Si le niveau d'eau à Mopti le 20 août est 300 cm, la crête sera 200 cm plus de haut, mais si le niveau d'eau au 20 août est 550 cm, la différence sera moindre, environ 150 cm.

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Fig. 4. Les données de ce graphique sont identiques à celles du graphique précédent, mais elles sont maintenant portées sur les deux axes. La relation linéaire est représentée. L'intervalle de confiance de 95% est à 65 cm. Plus tard dans la saison, l'intervalle se réduit progressivement jusque 12 cm.

Données météorologiques

Comme expliqué dans la section précédente, OPIDIN est basé sur les mesures du niveau d’eau du fleuve à Mopti durant la période août-octobre. Puisque le niveau d’eau à Mopti est déterminé par la pluie tombée dans le bassin amont du Niger pendant les semaines précédentes, une alternative serait de baser la prédiction de la crue sur les pluies cumulées des semaines précédentes. Si cela est possible, le grand avantage serait que la prédiction de la crue pourrait être avancée d’une quinzaine de jours, ou même peut-être plus. La pluie journalière est disponible sur le site FEWS. Ce site donne pour l’Afrique entière une valeur de la pluie journalière, mais aussi la pluie des six derniers jours et les prévisions de pluie pour les six jours à venir. Le site donne aussi accès aux données historiques des pluies en Afrique. Nous avons téléchargé 4896 cartes de pluie journalières depuis le 1 janvier 2001 dans un SIG et nous avons calculé la pluie moyenne totale pour huit sections du bassin du Niger Supérieur : deux en Guinée, en distinguant le bassin du Niger (N1) et celui du Bani (B1), et six au Mali (Bani: B2 et B3 et Niger: N2 et N3, delta: D2 et D3) - voir la figure 5.

Les données ont été utilisées pour calculer pour chaque année de la période 2001-2013 la pluie cumulée dans les huit sections pendant les mois de juillet, août et septembre et pour rechercher une relation avec le pic de la crue survenant plus tard dans la même année dans le delta intérieur. La brève conclusion de ce long travail est la suivante : nous n’avons pas été capables d’améliorer la prédiction de la crue en utilisant ces données météorologiques plutôt que les mesures hydrologiques à Mopti.

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Fig. 5. Carte montrant les huit sections dans le bassin du Niger Supérieur (limites en rouge) pour lesquelles nous avons calculé la pluie journalière selon les données du site FEWS. La carte montre, comme exemple, la pluie du 20 août 2013, avec en jaune =

Il est apparu que la meilleure option était de combiner les mesures hydrologiques et les données météorologiques. Nous avons examiné plusieurs façons de combiner ces séries de données et nous avons finalement fait le choix d’appliquer les équations de régression originelles d’OPIDIN aux données hydrologiques pour prédire le niveau du pic de la crue et la date correspondante, et ensuite de calculer pour toutes les années depuis 2001 la différence entre la crue prédite et la crue observée et corréler cette différence avec la pluie des semaines précédentes dans le bassin du Niger Supérieur. Cette approche est statistiquement simple, mais elle est aussi logique. Le niveau d’eau mesuré à Mopti en août et septembre dépend de la pluie tombée en amont depuis le mois de juin, mais il est tout à fait indépendant des pluies tombées tout récemment dans le bassin du Niger Supérieur puisqu’il faut du temps pour que la pluie tombée à quelques centaines de km en amont de Mopti ait un impact sur la montée du niveau d’eau dans le delta.

Cette méthodologie peut être illustrée par l’exemple suivant. En 2013, le niveau du fleuve mesuré à Mopti était si bas jusqu’au 11 août que nous nous redoutions une crue très faible. Heureusement, les pluies en amont dans le bassin du Niger en début août ont été plus intenses que la normale pour cette période de l’année. Nous nous sommes donc attendus à ce que pendant la quinzaine suivante, le niveau d’eau dans le delta intérieur s’élève plus rapidement que pendant les semaines précédentes et que le pic de la crue soit donc finalement beaucoup plus élevé que selon la prédiction basée sur les mesures du niveau d’eau du 11 août à Mopti. Effectivement, une rapide augmentation du niveau d’eau s’est produite entre le 11 et le 21 août ; sur cette base, la prédiction du pic de crue a été actualisée à la hausse fin août. En d’autres mots, à cause du démarrage tardif de la saison des pluies en 2013, les prédictions d’OPIDIN étaient trop basses jusque fin août, mais en intégrant les pluies récentes dans le modèle, nous aurions pu prédire correctement le pic de crue plus tôt en août, environ une quinzaine de jours plus tôt que ne le permet le seul modèle hydrologique d’OPIDIN.

En utilisant des modèles hydrologiques, il serait possible d’estimer le temps nécessaire pour que le ruissellement d’une pluie quelque part dans le bassin du Niger Supérieur atteigne Mopti. Une alternative consiste à utiliser une analyse statistique pour trouver comment optimiser les prédictions d’OPIDIN en utilisant les pluies récentes. Nous avons d’abord fait ce travail en incluant puis en excluant la pluie qui tombe directement sur le delta intérieur nord, et nous avons trouvé que la prise en compte de la pluie locale sur le delta nord n’améliore pas la prédiction. Nous avons ensuite calculé pour chaque jour entre le 21 juillet et le 16 octobre la capacité de prédiction en utilisant la pluie cumulée pendant les 1, 2, 3, ..., 28 jours précédents dans le bassin amont combiné du Niger et du Bani et du delta interieur sud. Pour presque toutes les dates, la corrélation était basse quand nous prenions compte les pluies des 1, 2, 3, 4 jours précédents, mais les corrélations s’amélioraient quand la pluie était ajoutée sur des périodes plus longues jusqu’à 20-25 jours, après quoi il n’y avait plus d’amélioration et pour la plupart des dates la corrélation se dégradait. Nous avons donc décidé de totaliser pour chaque jour de prédiction la pluie sur une durée de 18 jours antérieurs et d’utiliser cette même durée pour toutes les dates entre le 21 juillet et le 15 septembre (par exemple on ajoute le 23 juillet la pluie de la période 6-23 juillet, le 24 juillet la pluie de la période 7-24 juillet, etc).

En effet, le pic de la crue dans le Bani se produit à Douna 20 jours plus tôt qu’à Sofara (230 km à l’aval de Douna) et un décalage semblable existe sur le Niger entre Ké-Macina et Mopti. A cela il faut ajouter quelques jours entre Douna et le bassin amont du Bani et environ une semaine entre Ké-Macina et le bassin amont du Niger. Ainsi, l’élévation du niveau du fleuve à Mopti pendant la saison des pluies dépend des pluies tombées quatre semaines auparavant dans la partie guinéenne du bassin (Bani1 et Niger1 sur la carte plus haut). Toutefois, moins de la moitié de la pluie en amont du delta tombe dans la partie guinéenne du Bani (9.2%) et du Niger (40.2%). Pour la pluie tombée en amont de Mopti dans la partie malienne du bassin du Niger, le décalage avec la montée du niveau du fleuve à Mopti n’est plus que 3 semaines et moins. Ainsi la durée optimale moyenne calculée de 18 jours apparait comme un compromis réaliste.

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Fig. 6. Le pic de la crue observée (cm) à Mopti en relation avec le pic prédit le 6 août pour 13 années (2001-2013). Cette prédiction est basée seulement sur le niveau d’eau mesuré à Mopti le 6 août. (« modèle hydrologique »).

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Fig. 7. La différence entre le pic de crue observé et le pic de crue prédit le 6 août (tirée du graphique précédent) en relation avec la pluie cumulée dans les bassins amont du Bani et du Niger pendant 18 jours avant le 6 août.

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Fig. 8. Le pic de crue mesuré à Mopti (cm) en relation avec le pic de crue prédit le 6 août, pendant 13 ans (2001-2013). La prédiction est basée sur le niveau d’eau observé à Mopti le 6 août corrigé avec les pluies tombées pendant les 18 jours qui on précédé le 6 août. (« modèle hydro-météorologique »).

Les figures 6 à 8 montrent un exemple de la façon dont la prédiction hydro-météorologique dans OPIDIN améliore la prédiction basée seulement sur l’hydrologie. La figure 6 montre pour les 13 dernières années la relation qui existe entre la prédiction faite chaque 6 août sur la base des données hydrologiques seules et le pic de la crue réellement observé à Mopti l’année correspondante. La dispersion autour de la droite de régression est large. La figure 7 représente pour chaque année la relation entre l’écart avec la droite de régression et les pluies tombées pendant 18 jours avant le 6 août. La droite de régression de la figure 7 peut maintenant être utilisée pour améliorer la prédiction de la crue.
Le résultat est donné dans la figure 8. A l’évidence, la prédiction avec le modèle hydro-météorologique (figure 8) faite le 6 août est bien meilleure que la prédiction faite avec le modèle hydro (figure 5), ce que traduit la valeur de l’écart-type. Cela ne signifie pas que la prédiction hydro-météorologique sera plus proche de la vérité que la prédiction hydrologique pour toutes les années. L’analyse statistique montre que l’erreur moyenne devient moindre ainsi que le risque d’une prédiction incorrecte.
La dispersion autour de la droite de régression dans la figure 8 est utilisée pour estimer l’intervalle de confiance des prévisions. Ce qui est montré ici pour le 6 août a été fait pour toutes les dates entre le 26 juillet et le 15 septembre. La pluie des semaines récentes a un impact important sur la prédiction faite début août, mais elle devient moins importante plus tard dans la saison et les corrections deviennent minimes en septembre.

Décrue, les bases techniques

Le niveau d'eau observé en août ou septembre peut également être utilisé pour prévoir la date à laquelle le niveau d'eau aura diminué à une certaine cote. Nous avons choisi la date à laquelle le niveau d'eau pendant la décrue a diminué de 200 cm à 100 cm à la station d'Akka, parce que c'est le niveau pour lequel presque toutes les zones inondables sont exondées. En suivant la même méthodologie que pour la montée de la crue, nous avons calculé des équations de régression curvilinéaires reliant la date de décrue (200 ou 100 cm à Akka) au niveau d'eau observé à Mopti au 1, 10, 15 août, etc. Le résultat est donné dans Décrue.