Cette revue compare systématiquement les principales techniques expérimentales utilisées pour évaluer les effets des changements d'utilisation et de couverture des sols et de l'urbanisation sur le stress hydrique dans les bassins versants d'Afrique de l'Ouest, en quantifiant la fréquence d'application de chaque technique, les indicateurs de performance rapportés et la répartition géographique des données selon les pays.
Article de revue
Évaluation des changements d'occupation et d'utilisation des sols et des impacts de l'urbanisation sur le stress hydrique dans les bassins versants d'Afrique de l'Ouest : une revue méthodologique systématique
Dans cet article
Résumé
Résumé
Le stress hydrique constitue l'une des principales contraintes environnementales et socio-économiques en Afrique de l'Ouest, où la croissance démographique, l'expansion agricole, l'imperméabilisation des sols, la variabilité hydroclimatique et la pression croissante sur les eaux de surface et les eaux souterraines transforment rapidement le fonctionnement des bassins versants. L'évaluation des impacts des changements d'affectation des sols et de couverture terrestre (LULC) ainsi que de l'urbanisation nécessite des approches méthodologiques reliant la dynamique spatiale des paysages aux réponses hydrologiques observées ou simulées. Cette revue présente une analyse comparative et critique des principales techniques utilisées dans la région : bassins versants instrumentés et observations in situ, expériences contrôlées en laboratoire et sur le terrain, télédétection satellitaire et analyses multi-temporelles, méthodes axées sur les eaux souterraines, modélisations hydrologiques conceptuelles, semi-distribuées, physiquement basées et intégrées surface-subsurface, approches statistiques et d'apprentissage automatique, ainsi que méthodes hybrides couplant scénarios d'utilisation des sols et du climat. Le processus de recherche et de sélection a suivi un protocole transparent fondé sur les critères PRISMA et a permis d'identifier 51 références retenues, dont 35 sont ancrées en Afrique de l'Ouest. La modélisation hydrologique alimentée par la télédétection domine l'ensemble des travaux, représentant 15 des 35 études menées en Afrique de l'Ouest (43 %), notamment à l'aide des modèles SWAT, ACRU, WaSiM, CEQUEAU, SHETRAN, HydroGeoSphere et ParFlow-CLM ; les valeurs rapportées de l'efficacité de Nash-Sutcliffe (NSE), de l'efficacité de Kling-Gupta (KGE) et du coefficient de détermination varient généralement entre environ 0,6 et 0,9, ce qui correspond à une performance satisfaisante à très bonne selon les critères d'évaluation standards. Les études statistiques et celles fondées sur l'apprentissage automatique représentent 8 des 35 références, tandis que les recherches centrées sur l'urbanisation et les eaux souterraines restent rares. En outre, 8 des 35 études proviennent d'un seul et même réseau de recherche, de sorte que plusieurs conclusions régionales reposent sur une base de preuves restreinte et partiellement non indépendante. In situ les réseaux restent essentiels pour la compréhension des processus, mais sont limités par leur coût et leur faible densité ; les approches purement satellitaires souffrent de la couverture nuageuse et de la confusion spectrale dans les zones subhumides. Les progrès les plus prometteurs résident dans des cadres multi-sources et multi-échelles combinant des instruments ciblés, des séries temporelles satellitaires, une modélisation hydrologique intégrée, des scénarios territoriaux, des analyses systématiques des incertitudes, ainsi qu'une co-construction avec les acteurs de la gestion et de l'aménagement de l'eau.
Introduction
L'Afrique de l'Ouest connaît une pression croissante sur ses ressources en eau en raison des effets combinés de la variabilité climatique, de la croissance démographique, de l'expansion agricole, de l'urbanisation accélérée et de la dégradation des écosystèmes. Les diagnostics régionaux de l'eau mettent en évidence une baisse de la disponibilité en eau par habitant, une intensification de la concurrence entre usages et une sensibilité accrue aux sécheresses, aux inondations et aux extrêmes hydroclimatiques1,2. Dans les zones sahélienne et soudanienne, les trajectoires hydrologiques observées au cours des dernières décennies ont souvent été paradoxales : dans plusieurs bassins, le ruissellement et les crues ont augmenté même si les précipitations annuelles n'ont pas augmenté au même rythme, ce qui a relancé l'intérêt pour le rôle des changements d'affectation des sols et des transformations de l'état de surface3,4. Des travaux récents signalent également une augmentation simultanée de la température et du nombre de jours secs dans le bassin transfrontalier de la Bénoué, renforçant la pression hydroclimatique sur les bassins versants d'Afrique de l'Ouest5. À Niamey, l'évolution des précipitations extrêmes sous les effets combinés du changement climatique et de la croissance démographique rapide a encore accru la vulnérabilité des quartiers les plus exposés aux inondations6.
Le terme stress hydrique est utilisé ici dans un sens large, englobant les déficits de disponibilité en eaux de surface et souterraines, la diminution de l'humidité du sol accessible à la végétation et à l'agriculture, l'augmentation du ruissellement rapide au détriment de la recharge, une irrégularité accrue du débit des cours d'eau, ainsi que les tensions liées à l'accès à l'eau et à son partage à l'échelle des bassins versants. Cette définition opérationnelle est particulièrement adaptée à l'Afrique de l'Ouest, où la vulnérabilité est liée non seulement aux volumes annuels moyens, mais aussi à la forte saisonnalité des précipitations, au caractère discontinu des réseaux de suivi, à la prédominance des économies agro-pastorales et à la croissance rapide des périphéries urbaines2,3. Une perspective complémentaire met également l'accent sur l'intensité et la flexibilité des usages de l'eau, qui varient considérablement selon l'irrigation, les usages domestiques, le stockage en réservoir et la production d'énergie7. L'approvisionnement en eau des zones urbaines et la sécurité hydrique des grandes métropoles côtières et sahéliennes deviennent ainsi une préoccupation structurelle croissante pour l'aménagement du territoire.
Les changements d'utilisation et d'occupation des sols (UOS) affectent les processus hydrologiques par plusieurs mécanismes : la suppression ou la dégradation de la couverture végétale, l'expansion des terres cultivées, la compaction des sols, le croûtage superficiel, le développement de surfaces imperméables, la modification des drains artificiels, la fragmentation des zones humides et la perturbation des échanges entre eaux de surface et eaux souterraines3,4,8,9. En milieu urbain, l'augmentation des zones bâties et des routes accélère la concentration du ruissellement, amplifie les pics de crue et modifie l'infiltration ; en milieu rural, l'expansion des terres agricoles et la déforestation peuvent accroître le ruissellement, l'érosion et l'ensablement, tout en réduisant l'évapotranspiration ou la recharge, selon les types de sols et la topographie3,4. Une évaluation rigoureuse de ces effets ne peut s'appuyer sur une seule catégorie d'outils : les études en Afrique de l'Ouest mobilisent des observations in situ, des bassins expérimentaux, la télédétection, des modèles pluie-débit agrégés, des modèles distribués et intégrés des écoulements de surface et souterrains, la gravimétrie satellitaire et des traceurs isotopiques pour les eaux souterraines, ainsi que, de plus en plus, des méthodes statistiques et d'apprentissage automatique.
Pourtant, peu de synthèses comparent explicitement ces approches dans le contexte d'Afrique de l'Ouest en mettant l'accent sur leur capacité à diagnostiquer le stress hydrique induit par les changements d'affectation des sols et l'urbanisation, et les revues régionales existantes rapportent rarement un protocole de recherche reproductible ou une description quantitative des preuves qu'elles résument10,11,12. La présente revue poursuit donc cinq objectifs complémentaires : (i) identifier, au moyen d'un protocole transparent fondé sur PRISMA13, les principales techniques expérimentales utilisées pour évaluer les effets des changements d'affectation des sols et de l'urbanisation sur le stress hydrique dans les bassins versants d'Afrique de l'Ouest ; (ii) comparer leurs principes, leurs performances déclarées, leurs exigences en matière de données et leurs limites, à l'aide d'indicateurs quantitatifs (efficacité de Nash-Sutcliffe (NSE) ; efficacité de Kling-Gupta (KGE) ; coefficient de détermination, R2 ; précision globale de classification ; kappa de Cohen) ; (iii) quantifier la répartition de la base de preuves par pays, par période, par famille méthodologique et par groupe de recherche, et indiquer combien de groupes indépendants soutiennent chaque conclusion régionale ; (iv) discuter de la pertinence de chaque famille en fonction des échelles spatiales et temporelles ainsi que de la rareté des données ; et (v) proposer un cadre décisionnel opérationnel et des orientations méthodologiques pour les recherches futures et l'aide à la décision. La revue est structurée autour de huit familles méthodologiques, suivie d'une analyse comparative multicritère, d'un cadre décisionnel et d'une discussion sur les défis, les opportunités et les priorités de recherche.
Revue et perspective
Méthodologie de la revue : protocole de recherche, critères d'éligibilité et tri
Un protocole systématique basé sur PRISMA a régi l'identification, le tri et la sélection13. Les recherches ont couvert Scopus, Web of Science Core Collection, ScienceDirect, Wiley Online Library, MDPI et Google Scholar (les 200 premiers résultats classés par pertinence), les dépôts HAL, IRD/Horizon, WASCAL et FAO/AQUASTAT, ainsi que les archives universitaires régionales, en français et en anglais ; les listes de références des documents inclus ont été examinées de façon rétrospective. Deux chaînes booléennes ont été appliquées, l'une thématique et l'autre orientée méthode ; les deux sont indiquées intégralement, avec leurs adaptations spécifiques à chaque plateforme et leurs rendements par source, dans Tableau 1. La couverture s'étend de 1979 à 2026, la recherche initiale ayant été effectuée le 12 janvier 2026 et la mise à jour finale le 17 avril 2026.
Les dossiers n'étaient éligibles que s'ils répondaient aux quatre critères suivants : un bassin versant d'Afrique de l'Ouest, ou une méthode explicitement transférable à des conditions africaines de l'Ouest pauvres en données ; une prise en compte explicite, et non accessoire, du changement d'affectation des sols ou de l'urbanisation ; une méthode décrite de manière reproductible, incluant les sources de données, le modèle et la stratégie d'étalonnage ; et un statut de publication par des pairs ou de littérature grise traçable. Les dossiers ont été exclus lorsqu'ils étaient purement conceptuels, limités à la qualité de l'eau ou à l'écologie, situés en dehors de la région, dépourvus de contenu méthodologique transférable, ou indisponibles en texte intégral. Deux auteurs ont examiné indépendamment les titres et résumés, un troisième tranchant en cas de désaccord. L'extraction a porté sur le bassin versant et le pays, la superficie, la période, la famille méthodologique, le modèle ou l'algorithme, les données d'entrée, les variables d'étalonnage et de validation, les métriques rapportées, les changements hydrologiques et le traitement de l'incertitude. Les effectifs par étape figurent dans Figure 1 et les données extraites dans Table 2. Les études ont été regroupées en huit catégories analytiques, chacune attribuée à la famille ayant apporté la contribution principale, les familles secondaires étant enregistrées séparément afin qu'aucune contribution ne soit perdue.
Caractéristiques quantitatives de la base de données probantes
Le corpus comprend 51 références, dont 35 sont ancrées en Afrique de l'Ouest et 16 constituent des références méthodologiques ou comparatives provenant d'autres régions. Parmi les 35, la répartition géographique est inégale : 8 références pour le Bénin (23 %), 5 pour le Burkina Faso et 5 pour le Niger (14 % chacun), 3 pour le Sénégal (9 %), 2 pour le Ghana et 2 pour la Côte d'Ivoire (6 % chacun), 1 pour les bassins transfrontaliers du Mono et 1 pour celui du Bénoué (3 % chacun), ainsi que 8 études régionales (23 %) sans ancrage national. Le Mali, la Guinée, la Sierra Leone, le Libéria, le Togo et la Gambie ne comptent aucune étude dédiée à un bassin versant. La production est récente : 2 références antérieures à 2010, 9 comprises entre 2010 et 2019, et 24 (69 %) datant de 2020 et après.Tableau 3).
La répartition par famille méthodologique, indiquée dans le Tableau 4, est également inégale : statistiques et apprentissage automatique 8 sur 35 (23 %), modélisation conceptuelle et semi-distribuée 7 (20 %), modélisation distribuée et intégrée 5 (14 %), observation in situ 3 (9 %), télédétection comme approche principale 3 (9 %), chaînes hybrides de scénarios 3 (9 %), synthèses régionales 3 (9 %), et méthodes axées sur les eaux souterraines 2 (6 %). En comptant également les contributions secondaires, la télédétection intervient dans 20 études (57 %) et la modélisation hydrologique dans 15 (43 %), un couplage qui constitue la colonne vertébrale méthodologique du domaine.
Deux aspects influencent la solidité avec laquelle les conclusions régionales peuvent être établies. L'expérimentation contrôlée est presque totalement absente comme approche principale, avec un seul enregistrement basé sur des mesures à l'échelle de parcelles15, de sorte que les paramètres hydrodynamiques dans les modèles distribués sont largement transposés plutôt que mesurés localement. Le corpus n'est pas non plus entièrement indépendant : 8 enregistrements (23 %) proviennent d'un même réseau centré sur l'Université de Bonn et le programme WASCAL16,17,18,19,20,21,22,23, de sorte que la convergence entre ces études reflète en partie des données partagées, des chaînes de modèles et des paramétrisations communes, plutôt qu'une réplication indépendante.
Appliquée aux principales conclusions, la découverte selon laquelle l'expansion des terres cultivées et la dégradation de la couverture végétale augmentent le ruissellement superficiel et le rendement en eau tout en réduisant l'évapotranspiration ou la contribution des eaux souterraines est étayée par 6 études18,20,24,25,26,27 menées dans 4 pays et 4 systèmes de bassin versant, mais uniquement par 3 groupes mutuellement indépendants. L'augmentation du ruissellement en Afrique sahélienne associée à la dégradation de l'état de surface est soutenue par 3 groupes indépendants3,4,15. L'affirmation selon laquelle l'urbanisation provoque spécifiquement des changements dans le stress hydrique repose sur 3 observations6,28,29 provenant de 3 groupes, toutes concentrées à Niamey, et est donc rapportée ici comme plausible mais faiblement répliquée.
In situ observations et bassins versants instrumentés
L'observation directe reste la base la plus solide pour établir un lien entre la transformation du paysage et le stress hydrique. De longues séries issues du Sahel ont démontré le rôle des états de surface, de la dégradation des sols et de l'expansion des sols nus dans l'écoulement rapide observé dans plusieurs bassins3,4. Des mesures pionnières effectuées sur les bassins versants urbains de Niamey dans les années 1960 et à la fin des années 1970 ont documenté des coefficients de ruissellement atteignant plusieurs dizaines de pourcents et des temps de réponse d'environ une heure, liés à l'imperméabilisation, aux réseaux routiers et à l'organisation du drainage28. Dans les bassins ruraux et agro-pastoraux, l'instrumentation sert principalement à calibrer et valider des modèles. Les bassins du Dano, du Couffo, de l'Ouémé, du Volta Blanc et du Bonsa fournissent des données de pluviométrie, de température, d'humidité du sol, de débit des cours d'eau et, occasionnellement, des eaux souterraines, permettant d'établir des bilans hydriques, d'évaluer la recharge et le ruissellement16,24,25,26,30, tandis qu'une analyse conjointe des précipitations et des débits dans le nord du Bénin permet de distinguer la variabilité interannuelle des tendances à long terme23. Là où les jauges sont rares, une validation multi-objectif de l'outil d'évaluation des sols et de l'eau (SWAT) à l'aide de l'évapotranspiration détectée par télédétection, de l'humidité du sol et des stocks dérivés de GRACE renforce les estimations du bilan hydrique et réduit l'équifinalité21.
In situ des processus de saisie des données plutôt que des indicateurs indirects, permettant de préciser les réponses aux événements, les seuils, la saisonnalité et les décalages entre précipitations, écoulement et recharge. Leurs limites tiennent à la faible densité des réseaux, à l'hétérogénéité des protocoles, aux séries interrompues, au coût d'entretien et à la difficulté d'extrapolation à des systèmes plus vastes ou transfrontaliers. Seulement 3 des 35 séries ouest-africaines (9 %) reposent principalement sur des mesures in situ, une base étroite pour l'ensemble des méthodes qui dépendent toutes les unes des autres pour leur validation.
Expériences contrôlées en milieu naturel et en laboratoire
Les expériences contrôlées, bien qu'elles soient moins fréquentes que la modélisation, sont essentielles pour comprendre les mécanismes. Elles comprennent des essais d'infiltration, des mesures de densité apparente et de stabilité structurale, de conductivité hydraulique saturée, des parcelles de ruissellement, ainsi que des observations comparatives réalisées sur des parcelles cultivées, des jachères, des savanes, des sols nus et des surfaces urbanisées ; dans le Sahel, elles permettent d'expliquer l'augmentation du ruissellement par la formation d'une croûte superficielle, la perte de couvert herbacé et la concentration des écoulements.3,4. Des mesures imbriquées allant de la parcelle au bassin versant dans un petit bassin versant semi-aride au Burkina Faso montrent que les coefficients de ruissellement diminuent systématiquement lorsque l'échelle de mesure augmente, quantifiant ainsi la dépendance à l'échelle qui limite la transposition des résultats obtenus sur des parcelles aux modèles de bassin versant 15. En hydrologie urbaine, les études menées en Afrique de l'Ouest restent descriptives plutôt qu'expérimentales, s'appuyant sur des instruments fonctionnant de manière épisodique selon les événements plutôt que sur un suivi continu, ce qui affaiblit l'attribution des impacts spécifiques à l'urbanisation9,28. L'expérience acquise auprès de bassins versants en développement continuellement surveillés ailleurs montre dans quelle mesure l'attribution s'améliore lorsque la surveillance avant et après le développement est planifiée dès le départ31Ces expériences permettent d'isoler des processus et de réaliser une paramétrisation réaliste, mais restent dépendantes du site et sont plus utiles lorsqu'elles sont combinées à une surveillance continue et à la modélisation.
Télédétection par satellite et analyse multi-temporelle de la couverture des sols
La télédétection est le point d'entrée le plus courant pour analyser les changements d'occupation et d'utilisation des terres (LULC), apparaissant dans 20 des 35 études ouest-africaines recensées (57 %). Landsat domine grâce à sa profondeur temporelle et son accès gratuit ; Sentinel-2 améliore la discrimination des classes, tandis que le radar Sentinel-1, MODIS, ALOS, les modèles numériques d'élévation (MNE) dérivés et les drones viennent le compléter8,22,32. Les chaînes de traitement combinent la correction atmosphérique, la composition saisonnière, les indices spectraux, la classification supervisée, l'évaluation de la précision et l'analyse des transitions de changement33, les forêts aléatoires, les machines à vecteurs de support et les réseaux profonds remplaçant progressivement les classificateurs par maximum de vraisemblance. Dans le bassin du Sénégal, Landsat associé à une forêt aléatoire et à un modèle markovien à perceptron multicouche a permis de projeter l'évolution future de l'occupation des sols dans les bassins versants du Bafing et du Falémé32 ; dans l'Ouémé, le Land Change Modeler a quantifié la conversion des terres vers les cultures et les zones bâties22. Les plateformes cloud accélèrent le traitement des séries temporelles8,12.
Une deuxième génération de produits opérationnels est directement utilisable comme contrainte hydrologique, mais reste sous-exploitée au niveau régional. Le portail FAO WaPOR fournit l'évapotranspiration réelle sur l'ensemble de l'Afrique toutes les dix jours, aux résolutions de 250, 100 et 30 m ; une validation continentale comparée à quatorze stations de covariance des tourbillons a rapporté un R2 global de 0,61 et une erreur quadratique moyenne de 1,04 mm d-1 34. Les produits d'humidité du sol tels que SMAP et l'Initiative de l'ESA sur le changement climatique, ainsi que les produits de précipitations tels que CHIRPS, TAMSAT et IMERG, fournissent les variables complémentaires nécessaires à une validation multivariable35,36. Un seul des 35 documents recensés utilise un produit satellital d'évapotranspiration comme contrainte de calibrage21, ce qui constitue la possibilité la plus évidente et la plus sous-exploitée identifiée ici.
Les limites connues incluent la couverture nuageuse en saison humide dans les zones guinéennes et subhumides, la confusion spectrale entre les jachères, les savanes dégradées et les cultures, ainsi que la petite empreinte des zones urbaines secondaires. La qualité des rapports est inégale : des précisions globales de 80 à 90 % et un kappa de Cohen d’environ 0,75 à 0,90 sont typiques des études régionales incluses ici, mais l’ensemble comprend également des analyses de détection de changements ne fournissant aucune évaluation de la précision, et les précisions par classe pour les surfaces bâties et les sols nus, qui sont les plus pertinentes pour le stress hydrique urbain, sont rarement détaillées. Ces incertitudes se propagent aux estimations de ruissellement, d’évapotranspiration et de recharge, ce qui explique pourquoi la validation des produits de précipitations maillés constitue une étape régionale essentielle35,36,37.
Méthodes axées sur les eaux souterraines : gravimétrie, traçage et cartographie des zones de recharge
Les eaux souterraines alimentent la majeure partie des approvisionnements ruraux et péri-urbains en Afrique de l'Ouest, or elles constituent le compartiment le moins représenté : seulement 2 des 35 études les prennent comme objet principal, et l'étalonnage sur le débit des cours d'eau seul reste la norme. Trois familles de méthodes comblent cette lacune. La gravimétrie par satellite arrive en premier. L'expérience Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) et sa mission de suivi fournissent des anomalies mensuelles du stockage total d'eau terrestre à une résolution d'environ 300 km, à partir desquelles les anomalies des eaux souterraines sont isolées en soustrayant les composantes modélisées de l'humidité du sol et des eaux de surface. Appliquée aux aquifères du sud du Niger, cette méthode a permis d'obtenir des estimations des variations du stock et de la recharge là où les données piézométriques sont rares38 ; utilisée de manière inverse, la même signalisation contraint les composantes internes du bilan hydrique que le débit des cours d'eau ne peut identifier21. L'inadéquation entre l'empreinte spatiale et le bassin versant limite cette méthode aux grands bassins, sauf si un ré-échantillonnage à plus fine échelle est appliqué.
Les traceurs environnementaux constituent la deuxième famille : les isotopes stables, l'équilibre massique du chlorure, ainsi que le tritium ou le radiocarbone, lorsque disponibles, permettent de distinguer la recharge diffuse à travers le profil du sol de la recharge localisée à travers les étangs, les vallées intérieures et les dépressions urbaines, une distinction essentielle pour le paradoxe sahélien et pour évaluer si l'urbanisation augmente ou diminue la recharge nette ; les approches intégrées combinant isotopes, télédétection et modélisation dans les aquifères côtiers semi-arides sont directement transposables à la région39. Troisièmement, la cartographie de la recharge combinant télédétection et systèmes d'information géographique constitue l'option la moins exigeante en données, mais fournit un potentiel relatif plutôt qu'une recharge volumétrique et nécessite une validation par rapport aux rendements des forages12. Les modèles intégrés surface-subsurface simulent explicitement la recharge, mais à un coût beaucoup plus élevé27,29.
Modélisation hydrologique conceptuelle et semi-distribuée
La modélisation hydrologique est la méthode la plus répandue pour relier la dynamique de l'utilisation des terres à une réponse hydrologique mesurable, représentant 15 des 35 références (43 %) lorsque l'ensemble des familles de modèles est regroupé. Les modèles conceptuels et semi-distribués, tels que UHP, SWAT et le modèle de l'Unité de recherche sur les bassins agricoles (ACRU), équilibrent la description des processus, la faisabilité de l'étalonnage et les besoins en données, et permettent de tester des scénarios d'utilisation des terres et de changement climatique16,18,20,24,25,26,30,40. La performance est indiquée telle que fournie par les sources et interprétée selon des directives standard, selon lesquelles une efficacité de Nash-Sutcliffe (NSE) mensuelle supérieure à 0,50 est satisfaisante, supérieure à 0,65 est bonne, et supérieure à 0,75 est très bonne, avec un biais en pourcentage compris entre ±25 % pour le débit des cours d'eau14. Cornelissen et al. ont montré, sur un bassin béninois tropical, que le choix du modèle constitue en soi une source importante d'incertitude, et qu'une bonne performance historique ne garantit pas une simulation prospective robuste16.
Les études de cas quantifient les changements concernés. SWAT a montré qu'une réduction de la couverture naturelle dans le Volta Blanc avait diminué l'eau de surface et l'écoulement de base tout en augmentant l'évapotranspiration24. Le modèle ACRU dans le bassin versant de Bonsa a associé une perte forestière d'environ 39 % à une augmentation du débit des cours d'eau allant jusqu'à 37 %25. Dans le Couffo entre 2000 et 2011, les terres cultivées ont augmenté de 34 % tandis que la savane, l'agroforesterie et les forêts ont diminué de 24 à 60 %, l'eau de surface a augmenté de 11 mm, et la contribution des eaux souterraines ainsi que l'évapotranspiration ont baissé de 3,2 et 10,6 mm respectivement26. Le couplage d'un modèle d'utilisation des sols avec le modèle de simulation du bilan hydrique (WaSiM) dans les vallées intérieures du Burkina Faso a donné une dispersion selon les modèles climatiques allant de -44 % à +95 % pour le ruissellement total, plus large que le signal lié à l'occupation des sols lui-même20. Leur force réside dans l'expérimentation numérique, impossible à l'échelle du bassin versant. Leur faiblesse est structurelle : la représentation des unités hydrologiques, la régionalisation des paramètres, la qualité des données du modèle numérique d'élévation (MNE) et des sols, ainsi que l'équifinalité lors de l'étalonnage17,30. La rareté des observations des eaux souterraines et de l'humidité du sol oblige fréquemment à effectuer l'étalonnage uniquement à partir du débit des cours d'eau, et parmi les études de modélisation regroupées dans le tableau 2, seule une minorité effectue l'étalonnage à partir de plus d'une variable.
Modélisation distribuée, basée sur les processus physiques et intégrée des échanges surface-subsurface
Lorsque l'objectif va au-delà du débit pour inclure le comportement couplé de l'infiltration, de l'humidité du sol, de la nappe phréatique, du ruissellement et des flux latéraux, les modèles physiquement basés et intégrés deviennent pertinents20,27,29. À Dano, WaSiM a été calibré et validé conjointement sur le débit, l'humidité du sol et le niveau de la nappe, avec des coefficients R2, NSE et d'efficacité de Kling-Gupta (KGE) compris entre 0,6 et 0,9 pour les trois variables, ce qui constitue l'une des rares validations véritablement multi-variables disponibles pour la région18 ; SHETRAN appliqué au même bassin versant a atteint des valeurs comprises entre 0,66 et 0,79 pour le seul débit19. Le modèle HydroGeoSphere à haute résolution, appliqué à un bassin versant urbain semi-aride à Niamey, a traité les écoulements de surface et souterrains comme entièrement couplés et a montré qu'une augmentation de la résolution du modèle climatique n'améliorait pas en soi la performance du modèle29.
Dans le delta de l'Ouémé, ParFlow-CLM a résolu conjointement le ruissellement, l'évapotranspiration, la profondeur de la nappe phréatique et l'humidité du sol, étendant ainsi l'évaluation à des variables inaccessibles avec des modèles plus simples27. Le gain réside dans la cohérence physique ; le coût concerne les données d'entrée, le temps de calcul, l'étalonnage et l'interprétation. Ces modèles représentent 5 des 35 références (14 %), avec un potentiel considérable dans les bassins versants pilotes instrumentés et les zones urbaines soumises à une forte pression hydrologique41.
Approches statistiques et d'apprentissage automatique
Les approches statistiques occupent une position intermédiaire entre l'observation et la modélisation basée sur les processus, reliant les métriques de paysage ou les classes de couverture à des indicateurs hydrologiques, détectant des points de rupture et estimant des tendances ; dans les bassins versants d'Afrique de l'Ouest, elles complètent généralement les modèles hydrologiques sans les remplacer42. L'apprentissage automatique intervient à trois niveaux. Le premier concerne la cartographie de l'occupation du sol, où la forêt aléatoire et les algorithmes associés améliorent la classification et la détection des changements8,22,32. Le second niveau est la préparation des données : l'imputation de séries météorologiques manquantes par arbres de décision, forêts aléatoires et boosting par gradient extrême43, ainsi que la réduction d'échelle statistique des projections de précipitations44. Le troisième niveau, soit la prédiction hydrologique proprement dite, est celui qui est le moins développé dans la région. Des réseaux à mémoire à long court terme (LSTM) entraînés conjointement sur de grands échantillons de bassins versants surpassent les modèles conceptuels calibrés sur le bassin cible dans le cadre de la régionalisation « laisser-un-dehors », redéfinissant la prédiction dans les bassins non jaugés (PUB) comme un regroupement de données plutôt qu'un transfert de paramètres45 ; un modèle LSTM global de type encodeur-décodeur égale ou dépasse un système de prévision établi dans les bassins versants non jaugés, avec les gains les plus importants dans les régions pauvres en données, notamment le Sahel46. Aucune étude de ce corpus n'applique de tels modèles à un bassin versant d'Afrique de l'Ouest, ce qui fait des expériences régionales de LSTM et de PUB sur des enregistrements regroupés de débits des bassins du Niger, de la Volta et du Sénégal une priorité concrète, sous réserve de l'existence d'un jeu de données régional ouvert comprenant les attributs des bassins versants et les séries de débits, jeu de données qui n'existe pas encore. L'apprentissage automatique gère efficacement la non-linéarité, les interactions complexes et la fusion de sources multiples, et s'avère performant pour la classification fine en milieu urbain. Toutefois, son interprétabilité est inférieure à celle des modèles basés sur les processus, sa performance dépend fortement de la qualité des données d'entraînement, et sa capacité d'extrapolation en cas de profonds changements d'occupation des sols ou de climat demeure incertaine12.
Approches hybrides et scénarios couplés d'utilisation des terres et de climat
La tendance la plus marquante de la dernière décennie est l'hybridation : cartographie multi-temporelle, projection des changements futurs, modèles hydrologiques calibrés et scénarios climatiques régionaux combinés de manière à pouvoir séparer les effets du climat, ceux de l'utilisation des sols, ainsi que leur interaction10,18,20,47. Yira et al. ont utilisé une telle combinaison dans le bassin du Dano afin d'évaluer le rendement en eau et le débit des cours d'eau selon cinq scénarios d'utilisation des sols18. Dans le bassin de la Lobo, le Land Change Modeler, les modèles CORDEX et le modèle CEQUEAU ont permis de quantifier les impacts sur les apports aux réservoirs, illustrant ainsi l'utilité opérationnelle de ces chaînes d'outils pour la gestion des réservoirs et l'approvisionnement urbain47. Le modèle d'Évaluation et de Planification de l'Eau (WEAP) a été appliqué dans le bassin du Mono afin d'analyser les effets du climat, de l'occupation et de l'utilisation des sols (LULC) et du développement sur les ressources en eau et l'hydroélectricité48.
Les modèles hybrides sont les mieux placés pour soutenir la prise de décision, car ils répondent à des questions concrètes : que devient le ruissellement si l'urbanisation se poursuit, ou la recharge si les savanes deviennent des terres agricoles ? Leur inconvénient réside dans l'accumulation d'incertitudes liées à la classification, aux scénarios de transition, aux modèles climatiques et à la structure hydrologique, ce qui nécessite des analyses de sensibilité et des ensembles multi-modèles17,40. Lorsque les écarts sont indiqués, la contribution du modèle climatique domine généralement celle de l'occupation des sols20 ; par conséquent, une moyenne d'ensemble présentée sans son écart est trompeuse pour la planification.
Analyse comparative des approches
La comparaison des méthodes doit tenir compte de la diversité des questions scientifiques : certaines techniques mesurent, d'autres cartographient, expliquent ou simulent. Il n'existe pas une méthode unique optimale, mais des assemblages plus ou moins adaptés au problème, à l'échelle, aux données et à la forme de stress hydrique étudiée (Figure 2). Pour éviter les étiquettes qualitatives, la comparaison présentée dans Tableau 5 est exprimée, chaque fois que les sources le permettent, en métriques rapportées : NSE, KGE, R2 et biais en pourcentage pour la simulation, ainsi que précision globale et kappa de Cohen pour la classification, interprétés selon des seuils établis14. L'observation directe est la plus fiable pour ce qu'elle mesure, mais sa fiabilité spatiale dépend de la représentativité du réseau, et les coefficients de ruissellement à l'échelle de parcelle ne peuvent pas être transposés à l'échelle du bassin versant15. Les modèles offrent une compréhension spatialisée, avec des calibrations et validations en Afrique de l'Ouest majoritairement dans la plage 0,6–0,9 pour NSE, KGE et R2, ce qui correspond à des performances allant de bonnes à très bonnes selon les critères standards14,18,19 ; toutefois, ces résultats sont obtenus principalement sur le débit des cours d'eau, et une validation multi-variable montre que des scores comparables pour le débit peuvent coexister avec des bilans hydriques internes nettement différents16,21. La télédétection détecte efficacement les transitions, avec des précisions de 80 à 90 % et des valeurs de kappa proches de 0,75 à 0,90 lorsque des séries multi-sources, une validation au sol et des algorithmes robustes sont combinés, mais la performance diminue lorsque les classes sont spectralement proches33. La sensibilité des modèles à la formulation de l'évapotranspiration potentielle, démontrée à l'aide de 21 méthodes dans le bassin du fleuve Sénégal, impose la prudence lors de la comparaison de scénarios49.
Le meilleur compromis coût-précision combine des images gratuites, des ensembles de données climatiques ouverts, un modèle sobre et un jeu minimal d'observations de débit, ce qui explique le succès régional de SWAT avec les classifications Landsat et Sentinel8,24,26,30. Les réseaux denses et les modèles intégrés restent coûteux, bien qu'ils soient les mieux adaptés pour représenter les mécanismes en cascade tels que l'urbanisation diffuse, la réduction de la recharge et la modification des zones humides27,29. Pour les bassins transfrontaliers tels que le Niger, le Sénégal et le Volta, les approches locales seules sont insuffisantes, et les conceptions les plus appropriées combinent une référence satellitaire, un calibrage rigoureux, des informations de terrain ciblées et une communication systématique des incertitudes11,39.
Un cadre décisionnel opérationnel pour la sélection de méthodes
La comparaison ci-dessus devient une procédure explicite de sélection dans Figure 3, grâce à quatre filtres séquentiels utilisables à la fois par un organisme de bassin et par un consortium de recherche. Le premier filtre est la question. La documentation des changements observés nécessite uniquement une analyse de trajectoire par télédétection accompagnée d'une évaluation formelle de la précision. Attribuer les changements à l'occupation et à l'utilisation des sols (LULC) plutôt qu'au climat exige, au minimum, un dispositif contre-factuel : une simulation avec une utilisation des sols fixe et un climat variable, et l'inverse. Tester des options futures nécessite une chaîne de scénarios. Quantifier la réponse des eaux souterraines exige soit une représentation explicite du sous-sol, soit une approche gravimétrique ou basée sur des traceurs, car les modèles calibrés sur le débit des cours d'eau ne contraintent pas la recharge.
Le deuxième critère est l'échelle. En dessous d'environ 100 km2, et particulièrement dans les bassins urbains, les processus à l'échelle de l'événement dominent, et des modèles urbains intégrés surface-subsurface ou basés sur les événements sont appropriés, à condition que le drainage et la fraction imperméable soient cartographiés avec une résolution plus fine que les classes d'occupation des sols habituellement disponibles. Entre environ 100 et 10 000 km2, les modèles semi-distribués offrent le meilleur rapport qualité/effort en termes de données. Au-dessus de 10 000 km2 et pour les bassins transfrontaliers, des approches régionalisées ou regroupées, une comptabilité hydrique contrainte par satellite et l'apprentissage automatique sur grands échantillons deviennent des options réalistes45,46.
Le troisième critère est la disponibilité des données, appliquée de manière honnête plutôt qu'aspirante. Au moins trois ans d'enregistrements simultanés de débit et de précipitations rendent possible un étalonnage classique ; des séries plus courtes ou interrompues nécessitent des fonctions objectifs basées sur des données satellitaires concernant l'évapotranspiration, l'humidité du sol et le stockage total d'eau21,34 ; en l'absence d'enregistrement de débit, le choix se situe entre une régionalisation à partir de bassins versants donateurs et une prédiction groupée par apprentissage automatique, l'incertitude étant propagée plutôt que masquée. Le quatrième critère concerne l'horizon de décision et les ressources disponibles, chaque option étant associée à un coût indicatif dans le tableau 5. Appliqué à l'ensemble des données, ce cadre met en évidence deux inadéquations fréquentes : l'utilisation de modèles entièrement distribués là où les données ne permettent qu'un modèle semi-distribué, et l'attribution de l'urbanisation à une classe d'habitat trop grossière pour permettre une inférence fiable.
Défis et opportunités
Le premier défi concerne la qualité des données d'entrée. Des séries hydro-météorologiques discontinues, une faible densité de stations et des observations rares des niveaux piézométriques, de l'humidité du sol, des prélèvements et des débits obligent à recourir à des produits dérivés et à l'interpolation, solutions que les produits satellitaires de précipitations, l'imputation et la descente d'échelle adaptée à l'Afrique de l'Ouest atténuent seulement en partie35,36,37,43,44. Le second défi est l'attribution causale : les trajectoires de stress hydrique reflètent simultanément la variabilité climatique, l'intensification des pluies extrêmes, les changements d'affectation des sols et d'utilisation des terres (LULC), l'urbanisation, l'irrigation par prélèvement, la sédimentation et les infrastructures, et seule une minorité des études de modélisation rassemblées ici met en œuvre le plan factoriel nécessaire à cette séparation.
Le troisième défi concerne l'échelle, et ici, il convient d'exprimer avec soin la balance des preuves. L'urbanisation en Afrique de l'Ouest est diffuse et discontinue, combinant des zones bâties formelles, des établissements informels, des routes non revêtues et un drainage hybride, et elle est fréquemment citée comme un facteur de stress hydrique ; pourtant, seuls 3 articles (9 %) en font l'objet principal, tous situés à Niamey6,28,29, contre 15 dans lesquels l'expansion agricole constitue le signal dominant. Les affirmations fortes sur les impacts urbains reposent donc sur une base beaucoup plus restreinte que celles concernant l'expansion des terres cultivées : les mécanismes sont bien établis en hydrologie urbaine générale9,31, mais leur ampleur dans les bassins versants d’Afrique de l’Ouest n’est quantifiée que dans quelques rares cas. Il s'agit là d'une lacune à combler plutôt que d'une conclusion à affirmer, ce qui appelle à une cartographie urbaine plus fine distinguant les surfaces imperméables, la densité bâtie, l’état des routes, les zones basses et les zones d’infiltration8. Le quatrième défi est la validation multivariable : le stress hydrique affecte le débit des cours d’eau, l’humidité du sol, l’évapotranspiration, la recharge et la profondeur de la nappe phréatique, de sorte que plusieurs variables doivent être mobilisées afin de limiter l’équifinalité50.
Trois opportunités se distinguent : l'accès croissant à des images, des données topographiques, des produits climatiques, ainsi qu'à des produits opérationnels d'évapotranspiration et d'humidité du sol, ce qui améliore la reproductibilité34 ; la fusion de données combinant observations sur le terrain, produits satellitaires, modèles et apprentissage automatique ; et la régionalisation, qui ouvre la voie à des observatoires hydro-territoriaux39.
Les orientations recommandées consistent à renforcer les bassins versants des observatoires, en priorisant les pays absents de ce corpus ; à généraliser les analyses d'incertitude, les comparaisons multi-modèles et la communication systématique de métriques ; à intégrer les prélèvements, les infrastructures et les usages ; à développer des modèles d'hydrologie urbaine reflétant les infrastructures formelles et informelles d'Afrique de l'Ouest ; à publier ouvertement un jeu de données régional à grand échantillon ; et à co-construire des scénarios avec les gestionnaires de l'eau, les urbanistes et les agriculteurs11.
Conclusions
L’évaluation des changements d’occupation et d’utilisation des sols (LULC) et des impacts de l’urbanisation sur la stress hydrique dans les bassins versants d’Afrique de l’Ouest s’est largement consolidée autour d’un noyau méthodologique combinant télédétection, modélisation hydrologique et observations de terrain : parmi les 35 études ouest-africaines incluses ici, la télédétection intervient dans 57 % des cas et la modélisation hydrologique dans 43 %. Les études disponibles convergent pour montrer que l’expansion des terres agricoles, la dégradation des couverts naturels et le scellement progressif des sols altèrent les bilans en eau, le plus souvent par une augmentation des écoulements de surface et des débits de pointe, une réduction relative de l’infiltration et de la recharge, une redistribution des flux et une accentuation des pressions saisonnières sur la ressource39,48,51 ; cette convergence est appuyée par six études menées dans quatre pays, bien que seulement trois groupes de recherche mutuellement indépendants, et elle doit être interprétée en tenant compte de cette limitation. Aucune technique unique ne peut, à elle seule, saisir la complexité complète du phénomène. Les dispositifs in situ restent essentiels pour la validation hydrologique sur le terrain et la compréhension des processus ; la télédétection est indispensable pour capturer la dynamique territoriale sur de vastes empreintes, parfois transfrontalières ; les modèles hydrologiques conceptuels et semi-distribués sont nécessaires pour traduire les changements spatiaux en réponses hydrologiques et tester des scénarios prospectifs ; les approches d’apprentissage automatique améliorent la classification, l’imputation et certaines capacités prédictives, tandis que les modèles à grand échantillonnage offrent une voie encore inexplorée pour la prédiction dans les nombreux bassins non jaugés de la région ; enfin, les modèles physiques ou intégrés offrent la meilleure représentation des processus surface-subsurface, mais exigent des données abondantes, une puissance de calcul importante et une expertise pointue. La supériorité méthodologique réside donc moins dans un outil unique que dans l’architecture de la conception de l’évaluation, pour laquelle le cadre décisionnel proposé dans la Figure 3 fournit une procédure explicite.
Dans le contexte d'Afrique de l'Ouest, la stratégie la plus pertinente consiste à élaborer des cadres progressifs et hybrides combinant des données ouvertes, des observations ciblées, une cartographie rigoureuse, des scénarios territoriaux explicites, une modélisation hydrologique transparente et des analyses systématiques des incertitudes. Une telle orientation est scientifiquement justifiable, plus durable sur le plan économique et plus utile sur le plan opérationnel pour la planification territoriale, la gestion des réservoirs, la prévention des inondations, la protection des aquifères et l'adaptation au changement climatique. La priorité pour les années à venir doit être de renforcer la qualité et l'ouverture des données, la comparaison intermodèles, la validation multivariable, l'intégration explicite des dynamiques urbaines fines et du compartiment des eaux souterraines, tous deux sous-représentés quantitativement selon cette revue, l'élargissement géographique de la base de preuves au-delà des quatre pays qui la dominent actuellement, ainsi que la co-construction avec les gestionnaires de l'eau et les parties prenantes territoriales afin que les diagnostics de stress hydrique se traduisent efficacement par des décisions de planification et d'investissement.
Figure 1 : Schéma de flux PRISMA 2020 illustrant l'identification, le tri et l'inclusion des références. Nombre de références identifiées dans chaque base de données et chaque dépôt, éliminées en tant que doublons, examinées au niveau du titre et du résumé, évaluées sous forme de textes intégraux, exclues avec mention des motifs, et finalement incluses dans la synthèse qualitative et quantitative. Les recherches ont été effectuées entre le 12 janvier 2026 et le 17 avril 2026. Veuillez cliquer ici pour visualiser une version agrandie de cette figure.
Figure 2 : Schéma conceptuel reliant l'utilisation des terres, les changements de couverture terrestre et l'urbanisation au stress hydrique, et représentant les huit familles méthodologiques le long de la chaîne causale. Les facteurs de changement (expansion des terres agricoles, déforestation, tassement et encroûtement du sol, imperméabilisation des sols et modification du drainage) agissent sur les processus hydrologiques (interception, évapotranspiration, infiltration, production du ruissellement, recharge, échange rivière-nappe), qui à leur tour produisent les composantes du stress hydrique (pénurie en eau de surface, baisse des nappes phréatiques, déficit en humidité du sol, irrégularité des écoulements, pics de crue). Chaque famille méthodologique est positionnée au niveau de la chaîne qu'elle observe, cartographie, explique ou simule. Veuillez cliquer ici pour visualiser une version agrandie de cette figure.
Figure 3 : Cadre décisionnel opérationnel pour la sélection d'un assemblage méthodologique dans les bassins versants d'Afrique de l'Ouest. Quatre filtres successifs — la question scientifique, l'échelle spatiale, les données effectivement disponibles et l'horizon de décision ainsi que les ressources — conduisent à une combinaison recommandée de méthodes, accompagnée des exigences minimales de validation et des attentes en matière de communication de l'incertitude pour chaque branche. Veuillez cliquer ici pour visualiser une version agrandie de cette figure.
Tableau 1 : Chaînes de recherche complètes et leurs adaptations spécifiques à chaque plateforme. Chaînes booléennes utilisées dans chaque base de données et dépôt, restrictions de champ, filtres de langue, date d'exécution et nombre d'enregistrements renvoyés par chaque source. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.
Tableau 2 : Études de cas représentatives prises en compte dans l'analyse comparative. Zone d'étude, pays, superficie du bassin versant, période de l'étude, méthode principale utilisée, variables de calibrage et de validation, indicateurs de performance signalés (NSE, KGE, R2, biais en pourcentage, précision globale, kappa de Cohen) et contribution spécifique de chaque étude à l'évaluation du stress hydrique en Afrique de l'Ouest. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.
Tableau 3 : Répartition des documents ouest-africains inclus par pays et par période. Nombre et proportion de documents par pays et par période de publication quinquennale, avec les familles méthodologiques appliquées dans chaque pays. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.
Tableau 4 : Répartition des enregistrements ouest-africains inclus selon la famille méthodologique. Nombre et proportion d'enregistrements pour lesquels chaque famille constitue l'approche principale, nombre pour lequel elle est une approche secondaire, et pays correspondants. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.
Tableau 5 : Comparaison synthétique des principales techniques expérimentales utilisées pour évaluer le stress hydrique dans les bassins versants d'Afrique de l'Ouest. Comparaison selon cinq dimensions : précision et fiabilité exprimées à travers les métriques de performance rapportées par les études sources, coût et faisabilité, capacité à saisir la complexité, échelles spatiales et temporelles pertinentes, et adéquation au contexte régional. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.
Déclarations de divulgation
Les auteurs déclarent qu’ils n’ont aucun conflit d’intérêts lié à cette revue.
Remerciements
Les auteurs remercient leurs collègues ainsi que le VM Group Multiservices pour leurs commentaires critiques sur les versions précédentes du manuscrit et pour le financement de cet article.
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