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Utilisation d’un SIG pour l’évaluation des caractéristiques physiques du bassin versant d'Oujda et leurs influences sur l’écoulement des eaux.

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Avant, l’étude du complexe physique d’un Bassin Versant sont basées essentiellement sur des
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Utilisation d’un SIG pour l’évaluation des caractéristiques physiques du bassin versant d'Oujda et leurs influences sur l’écoulement des eaux.

  1. 1. MASTER Management de Ressources Hydriques, Minières et Energétiques - option Génie de l’Eau. NAIT-SI Hassan 1 Table des matières I. Introduction...........................................................................................................................................2 II. Présentation de la zone d’étude. ......................................................................................................2 III. Méthodologie, Données et matériels utilisées. ................................................................................3 IV. Résultats et discision.........................................................................................................................3 1. Les caractéristiques de forme. .........................................................................................................3 a. La surface et le périmètre. ...........................................................................................................3 b. La forme. .......................................................................................................................................4 c. Le rectangle équivalent. ...............................................................................................................4 d. Le relief..........................................................................................................................................4 e. La pente moyenne du bassin versant. .........................................................................................7 f. L'indice de pente IP :..................................................................................................................10 2. Le réseau hydrographique.............................................................................................................12 a. La topologie : structure du réseau et ordre des cours d'eau...................................................12 b. La longueur et les pentes caractéristiques du réseau. .............................................................14 V. Conclusion. ......................................................................................................................................18 VI. Bibliographie...................................................................................................................................18
  2. 2. MASTER Management de Ressources Hydriques, Minières et Energétiques - option Génie de l’Eau. NAIT-SI Hassan 2 I. Introduction. Avant, l’étude du complexe physique d’un Bassin Versant sont basées essentiellement sur des méthodes manuelles, qui prend beaucoup du temps et avec des résultats obtenus généralement sont incorrects. Maintenant, l’apparition des outils d’informatiques facilite beaucoup le travail, grâce à l’outils tel que les SIG et Télédétection, il est devenu très facile de déterminer les paramètres physiques du Bassin Versant, avec des bons résultats et avec gain du temps, et comme vous savez le temps c’est de l’Or. Grace à l’utilisation de ces nouvelles techniques a permis de faire des études sur l’exploitation des eaux souterrains et superficielles et la prévention contre les risques d’inondation. II. Présentation de la zone d’étude. Le bassin versant de Moulouya constitue l’un des plus importants bassins hydrauliques en superficie du Royaume, s’étendant sur une superficie de 74000 Km2 . Il est situé au NNE du Maroc (partie oriental du territoire national), est caractérisé par un climat de type aride à sec avec des tendances vers un climat méditerranéen dans le NE. Cette région est connue par une faiblesse des précipitation annuelles moyennes sont de 200mm/an. Notre bassin versant d’étude Oujda-Angad se situe au NNE du bassin versant de Moulouya (fig.1), soit approximativement entre (002° 44’ 47’’ et 001° 46’ 07’’ W) de longitude et entre (34° 53’ 57’’ et 34° 35’ 16’’ N) de latitude. Figure 1 : Bassin Versant de Moulouya (ABH).
  3. 3. MASTER Management de Ressources Hydriques, Minières et Energétiques - option Génie de l’Eau. NAIT-SI Hassan 3 III. Méthodologie, Données et matériels utilisées. Au cours de cette étude, on a utilisé les images DEM (Digital Elevation Model), pris par la NASA le 17 octobre 2011, avec une résolution de 30m, ses images son valable gratuitement sur le site earthexplorer.usgs.gov, on a aussi utilisé 2 cartes topographiques de Berkane et Oujda, à une échelle de 1/100000. Nous avons géoréférencé les 2 cartes topographique, pour affecter un emplacement spatial à des entités cartographiques, la possibilité de localiser des entités géographiques correctement est fondamentale dans les SIG. On a utilisé les DEM, pour faire un modèle numérique de terrain et de demandé à logiciel de dessiné les courbes de niveau et élaboré les courbes hydrographiques, nous avons utilisé les cartes topographiques comme fond cartographique pour avoir est ce que les courbes hydrographiques des cartes topographiques sont superposé sur les courbes hydrographiques réalisé par ARCGIS à l’aide du DEM. Généralement en trouve qu’il y’a un petit décalage entre les deux courbes hydrographiques, cela est normale car les cartes topographiques on était réalisé manuellement et elles sont très ancien, donc les courbes hydrographiques du DEM sont plus précises. L’utilisation du DEM aide à limiter le bassin versant d’étude et de l’extraction automatique des paramètres caractérisant le relief. Utilisation du logiciel ARCGIS est très nécessaire pour développer cette étude. IV. Résultats et discision. Nous avons utilisé dans le cadre de cette étude, des techniques automatiques qui facilitent l’extraction des indices morphométriques d’un bassin, ces indices va nous aider de caractériser l’environnement physique et leur influence sur l’écoulement superficiel sur notre bassin d’étude. 1. Les caractéristiques de forme. La forme d'un bassin versant influence l'allure de l'hydrogramme à l'exutoire du bassin versant. Par exemple, une forme allongée favorise, pour une même pluie, les faibles débits de pointe de crue, ceci en raison des temps d'acheminement de l'eau à l'exutoire plus importants, par contre, les bassins en forme d'éventail, présentant un temps de concentration plus court, auront les plus forts débits de pointe. a. La surface et le périmètre. Le bassin versant étant l'aire de réception des précipitations et d'alimentation des cours d'eau, les débits vont être en partie reliés à sa surface. Nous avons mesuré la surface de notre bassin d’étude à l’aide de ARCGIS, par des techniques de digitalisation et limitation.
  4. 4. MASTER Management de Ressources Hydriques, Minières et Energétiques - option Génie de l’Eau. NAIT-SI Hassan 4 La surface du bassin d’étude est de : 116.5 Km2. Le périmètre du bassin est de : 71.2 Km. b. La forme. L’indice de compacité de Gravelius (1914) KG, défini comme le rapport du périmètre du bassin au périmètre du cercle ayant la même surface : Avec : KG est l'indice de compacité de Gravélius, A : surface du bassin versant [km2 ], P : périmètre du bassin [km]. Cet indice est proche de 1 pour un bassin versant de forme quasiment circulaire et supérieure à 1 lorsque le bassin est de forme allongée. Dans notre étude nous avons trouvé que KG=1.84, on peut conclure que notre bassin d’étude présente une forme allongée, cette forme va influencée sur le début de pointe de crue, donc notre bassin a un faible débit de pointe de crue. c. Le rectangle équivalent. La notion de rectangle équivalent ou rectangle de Gravelius, introduite par Roche (1963), permet de comparer facilement des bassins versants entre eux, en ce qui concerne l'influence de leurs caractéristiques sur l'écoulement. Si L et l représentent respectivement la longueur et la largeur du rectangle équivalent, alors : Le périmètre du rectangle équivalent vaut : 𝑃 = 2 ∗ (𝐿 + 𝑙) ; la surface :𝐴 = 𝐿 ∗ 𝑙 ; le coefficient de compacité : En combinant ces trois relations, on obtient : Pout notre bassin d’étude, nous avons trouvé que L=31.9 Km et l=3.6 Km. Les dimensions du rectangle équivalent traduisent que la longueur est grande 9 fois que la largeur. d. Le relief. L'influence du relief sur l'écoulement se conçoit aisément, car de nombreux paramètres hydrométéorologiques varient avec l'altitude (précipitations, températures, etc.) et la morphologie du bassin. En outre, la pente influe sur la vitesse d'écoulement. Le relief se détermine lui aussi au moyen d'indices ou de caractéristiques suivants :
  5. 5. MASTER Management de Ressources Hydriques, Minières et Energétiques - option Génie de l’Eau. NAIT-SI Hassan 5 La courbe hypsométrique. La courbe hypsométrique représente la répartition de la surface du bassin versant en fonction de son altitude. Elle fournit une vue synthétique de la pente du bassin. rowid from to Altitude Périmètre_km surface_km²_1 pourcentage pourcentage cumulée % 1 407 488 488 36.1 20.4 17.5 100.00 2 488 550 550 54.7 19.5 16.7 82.50 3 550 650 650 66.2 19.7 16.9 65.76 4 650 750 750 76.2 17.5 15.0 48.82 5 750 850 850 80.4 11.9 10.2 33.82 6 850 950 950 64.6 8.3 7.1 23.63 7 950 1050 1050 49.3 5.3 4.5 16.53 8 1050 1150 1150 40.0 6.1 5.2 12.01 9 1150 1260 1260 31.1 5.4 4.7 6.81 10 1260 1449 1449 17.7 2.5 2.2 2.15 Les courbes hypsométriques peuvent servir à la détermination de la pluie moyenne sur un bassin versant et donnent des indications quant au comportement hydrologique et hydraulique du bassin et de son système de drainage. Pour notre bassin d’étude la courbe hypsométrique (fig.2) est représentée sous forme concave, elle indique que notre bassin est vieux. 407 607 807 1007 1207 1407 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 Altitudem Superficie Cumulée % Courbe Hypsomètrique de notre Bassin d'étude Figure 2 : Courbe Hypsométrique de notre Bassin d’étude. Tableau 1 : Répartition du périmètre et la surface selon l’élévation de niveau
  6. 6. MASTER Management de Ressources Hydriques, Minières et Energétiques - option Génie de l’Eau. NAIT-SI Hassan 6  Les altitudes caractéristiques. -Les altitudes maximale et minimale. Sont obtenues directement à partir des techniques de la digitalisation du DEM faite par ARCGIS, l’altitude maximale représente le point le plus élevé de notre bassin d’étude, par contre l’altitude minimale considère le point le plus bas, généralement l’exutoire. L’altitude maximale : 1449 m L’altitude minimale : 407 m -L’altitude moyenne. L'altitude moyenne se déduit directement de la courbe hypsométrique ou de la lecture d'une carte topographique. On peut la définir comme suit : Avec : Hmoy : altitude moyenne du bassin [m] ; Ai : aire comprise entre deux courbes de niveau [km2 ] ; hi : altitude moyenne entre deux courbes de niveau [m] ; A : superficie totale du bassin versant [km2 ]. L’altitude moyenne de notre bassin est : Hmoy= 704,94m -L’altitude médiane. L'altitude médiane correspond à l'altitude lue au point d'abscisse 50% de la surface totale du bassin, sur la courbe hypsométrique. Cette grandeur se rapproche de l'altitude moyenne, dans le cas où la courbe hypsométrique du bassin concerné présente une pente régulière. Dans notre bassin d’étude, est à partir du courbe hypsométrique on a trouvé que l’altitude médiane est : Hmédiane= 745m
  7. 7. MASTER Management de Ressources Hydriques, Minières et Energétiques - option Génie de l’Eau. NAIT-SI Hassan 7 e. La pente moyenne du bassin versant. La pente moyenne donne une bonne indication sur le temps de parcours du ruissellement direct donc sur le temps de concentration et influence directement sur le débit de pointe lors d'une averse. Plusieurs méthodes ont été développées pour estimer la pente moyenne d'un bassin. La méthode proposée par Carlier et Leclerc (1964) consiste à calculer la moyenne pondérée des pentes de toutes les surfaces élémentaires comprises entre deux altitudes données. Une valeur approchée de la pente moyenne est alors donnée par la relation suivante : Où on a : Im : pente moyenne [m/km ou 0 /00], L : longueur totale de courbes de niveau [km] égal à 516.3Km, D : équidistance entre deux courbes de niveau [m] égal à 50m, A : surface du bassin versant [km2 ] égal à 116.5Km2 . On trouve que : Im= 221.59 m/Km. Remarque : Cette méthode de calcul donne de bons résultats, dans le cas d'un relief modéré et pour des courbes de niveau simples et uniformément espacées.
  8. 8. MASTER Management de Ressources Hydriques, Minières et Energétiques - option Génie de l’Eau. NAIT-SI Hassan 8 Figure 2 : génération d'un MNT de notre bassin d’étude, à partir de la méthode d'interpolation.
  9. 9. MASTER Management de Ressources Hydriques, Minières et Energétiques - option Génie de l’Eau. NAIT-SI Hassan 9 Figure 3 : modèle numérique d'altitude de notre bassin versant d’étude.
  10. 10. MASTER Management de Ressources Hydriques, Minières et Energétiques - option Génie de l’Eau. NAIT-SI Hassan 10 Figure 4 : MNT de notre bassin d'étude en 3D. f. L'indice de pente IP : Cet indice se calcule à partir du rectangle équivalent. Il est égal à la somme des racines carrées des pentes moyennes de chacun des éléments pondérés par la surface intéressée, soit : Indice de pente de roche Ip = 3.39%
  11. 11. MASTER Management de Ressources Hydriques, Minières et Energétiques - option Génie de l’Eau. NAIT-SI Hassan 11 élévation courbe de niveau Superficie entre les deux courbe KM2 ai différence d'altitude ai*di racine(ai*di) 407-488 20.39 0.18 18 3.15 1.77 488-550 19.51 0.17 62 10.38 3.22 550-650 19.73 0.17 50 8.47 2.91 650-750 17.49 0.15 50 7.50 2.74 750-850 11.86 0.10 50 5.09 2.26 850-950 8.27 0.07 50 3.55 1.88 950-1050 5.27 0.05 50 2.26 1.50 1050-1150 6.05 0.05 50 2.60 1.61 1150-1260 5.43 0.05 110 5.13 2.26 1260-1449 2.51 0.02 189 4.07 2.02 Tableau 2 : le volume partiel entre les altitudes et le volume total. L’indice global de pente. Sur la courbe hypsométrique, on prend les points tels que la surface supérieure ou inférieure soit égal à 5% de A. On déduit les altitudes H5% et H 95% entre lesquelles s'inscrit 90% de l'aire du bassin et la dénivelée D = H5 – H 95. L'indice global est égal à : La dénivelée D = 1327 – 507 D = 820 Donc IG = 25.71 Calculée par la formule suivante : Ds = IG * racine (surface du bassin) Ds= 277.5 Tableau 3 : classification de relief selon la méthode de LORSTOM.
  12. 12. MASTER Management de Ressources Hydriques, Minières et Energétiques - option Génie de l’Eau. NAIT-SI Hassan 12 A partir de la méthode de LORSTOM (tab.3), on déduire que notre bassin d’étude présent un relief FORT. 2. Le réseau hydrographique. Le réseau hydrographique est une des caractéristiques les plus importantes du bassin. Le réseau hydrographique peut prendre une multitude de formes. La différenciation du réseau hydrographique d'un bassin est due à quatre facteurs principaux qui sont : La géologie : par sa grande sensibilité à l'érosion, la nature du substratum influence sur la forme du réseau hydrographique. Le climat : le réseau hydrographique est dense dans les régions montagneuses très humides et tend à disparaître dans les régions désertiques. La pente du terrain : détermine si les cours d'eau sont en phase érosive ou sédimentaire. Dans les zones de pente plus élevées, les cours d'eau participent souvent à l'érosion de la roche sur laquelle ils s'écoulent. Au contraire, en plaine, les cours d'eau s'écoulent sur un lit où la sédimentation prédomine. La présence humaine : le drainage des terres agricoles, la construction de barrages, l'endiguement, la protection des berges et la correction des cours d'eau modifient continuellement le tracé originel du réseau hydrographique. Afin de caractériser le réseau hydrographique, il est souvent utile de reporter son tracé en plan sur une carte à une échelle adéquate. L'utilisation de l’imagerie spatiale est utile à cette identification. Divers paramètres descriptifs sont utilisés pour définir le réseau hydrographique. a. La topologie : structure du réseau et ordre des cours d'eau. La topologie s'avère utile dans la description du réseau hydrographique notamment en proposant une classification de ceux-ci. Cette classification est facilitée par un système de numérotation des tronçons de cours d'eau (rivière principale et affluente). La codification des cours d'eau est égalment utilisée pour le traitement automatique des données. Il existe plusieurs types de classifications des tronçons des cours d'eau, dont la classification de Strahler (1957) qui est la plus utilisée. Cette classification permet de décrire sans ambiguïté le développement du réseau de drainage d'un bassin de l'amont vers l'aval. Elle se base sur les règles suivantes : -Tout cours d'eau dépourvu de tributaires est d'ordre un. -Le cours d'eau formé par la confluence de deux cours d'eau d'ordre différent prend l'ordre du plus élevé des deux. -Le cours d'eau formé par la confluence de deux cours d'eau du même ordre est augmenté de un.
  13. 13. MASTER Management de Ressources Hydriques, Minières et Energétiques - option Génie de l’Eau. NAIT-SI Hassan 13 Figure 5 : Classification du réseau hydrographique de notre bassin d’étude selon le système de strahler.
  14. 14. MASTER Management de Ressources Hydriques, Minières et Energétiques - option Génie de l’Eau. NAIT-SI Hassan 14 b. La longueur et les pentes caractéristiques du réseau.  La longueur caractéristique. Un bassin versant se caractérise principalement par la longueur suivante : La longueur du cours d'eau principal (L) est la distance curviligne depuis l'exutoire jusqu'à la ligne de partage des eaux, en suivant toujours le segment d'ordre le plus élevé lorsqu'il y a un embranchement et par extension du dernier jusqu'à la limite topographique du bassin versant. Si les deux segments à l'embranchement sont de même ordre, on suit celui qui draine la plus grande surface. Figure 6 : cours d'eau principale de notre bassin d’étude.
  15. 15. MASTER Management de Ressources Hydriques, Minières et Energétiques - option Génie de l’Eau. NAIT-SI Hassan 15  La pente moyenne d'un cours d'eau La pente moyenne d’une cour d'eau détermine la vitesse avec laquelle l'eau se rend à l'exutoire du bassin donc le temps de concentration. Cette variable influence donc le débit maximal observé. Une pente abrupte favorise et accélère l'écoulement superficiel, tandis qu'une pente douce ou nulle donne à l'eau le temps de s'infiltrer, entièrement ou en partie, dans le sol. Le calcul des pentes moyennes et partielles du cours d'eau s'effectue à partir du profil longitudinal du cours d'eau principal et de ses affluents. La méthode la plus fréquemment utilisée pour calculer la pente longitudinale du cours d'eau consiste à diviser la différence d'altitude entre les points extrêmes du profil par la longueur totale du cours d'eau. Où : Pmoy : pente moyenne du cours d'eau [m/km]. DHmax : dénivellation maximale de la rivière [m] (différence d'altitude entre le point le plus éloigné et l'émissaire). L : longueur du cours d'eau principal qui égal à 27.98 km. P moy = 443/27.985 = 15.83 m/Km  La densité de drainage. La densité de drainage, introduite par Horton, est la longueur totale du réseau hydrographique par unité de surface du bassin versant : Avec : Dd : densité de drainage [km/km2]. Li : longueur des cours d'eau [km] d’où L1=44.39Km, L2=30.88 et L3=33.88Km. A : surface du bassin versant qui égal à 116.5 km2. Donc Dd= 0.89 Km/Km2.
  16. 16. MASTER Management de Ressources Hydriques, Minières et Energétiques - option Génie de l’Eau. NAIT-SI Hassan 16 La densité de drainage dépend de la géologie (structure et lithologie) des caractéristiques topographiques du bassin versant et, dans une certaine mesure, des conditions climatologiques et anthropiques. En pratique, les valeurs de la densité de drainage varient de 3 à 4 pour des régions où l'écoulement n'a atteint qu'un développement très limité et se trouve centralisé, elles dépassent 1000 pour certaines zones où l'écoulement est très ramifié avec peu d'infiltration. Selon Schumm, la valeur inverse de la densité de drainage, C=1/Dd, s'appelle « constante de stabilité du cours d'eau ». Physiquement, elle représente la surface du bassin nécessaire pour maintenir des conditions hydrologiques stables dans un vecteur hydrographique unitaire (section du réseau). Au niveau de notre Bassin Versant d’étude, on trouve que la densité de drainage est égal à 0.89 Km/Km2, ceci traduit que le bassin présente dans son ensemble une formation géologique perméable, on déduire que l’écoulement est plutôt limité et centralisé ainsi que l’infiltration est augmentée.  La densité hydrographique. La densité hydrographique représente le nombre des cours d’eau par unité de surface. Où : F : densité hydrographique [km-2 ] ; Ni : nombre des cours d'eau qui égal à 120. A : superficie du bassin qui égal à 116.5km2. Donc F=1.03 Km-2 Donc le bassin d’étude présente une région à substratum perméable, à couvert végétal important et à relief peu accidenté.
  17. 17. MASTER Management de Ressources Hydriques, Minières et Energétiques - option Génie de l’Eau. NAIT-SI Hassan 17  Le rapport de confluence. Sur la base de la classification des cours d'eau, Horton (1932) et Schumm (1956) ont établi différentes lois : Avec : RC : rapport de confluence des cours d'eau ("bifurcation ratio"). RL : rapport des longueurs des cours d'eau. u : ordre d'un cours d'eau u varie entre 1 et w (w est l'ordre du cours d'eau principal, classification selon Strahler). Nu : nombre des cours d'eau d'ordre u ;Nu+1 : nombre des cours d'eau d'ordre suivant. Lu : longueur moyenne des cours d'eau d'ordre u. Ordre Nombre RC 1 68 2.27 2 30 1.36 3 22 Tableau 4 : Rapport de confluence de notre bassin d'étude. Ordre Nombre Longueur Total(Km) Longueur Moyenne(Km) RL 1 68 44.39 0.652794118 2 30 30.88 1.029333333 1.58 3 22 27.98 1.271818182 1.24 Tableau 5 : Rapport de longueur de notre bassin d'étude. Le rapport de confluence est un nombre sans dimension exprimant le développement du réseau de drainage. Il varie suivant l'ordre considéré. C'est un élément important à considérer pour établir des corrélations d'une région à une autre. Selon Strahler (1964), le RC varie de 3à 5 pour une région où la géologie n'a aucune influence.  La fréquence des cours d’eau. Elle représente le rapport du nombre du cours d’eau d’ordre 1 à la surface du bassin versant d’étude. F = 68/116.5 = 0.583Km-2 D’après cette valeur on remarque que le bassin versant présente une fréquence faible, ce qui traduit que le réseau hydrographique présente une hiérarchisation faible.
  18. 18. MASTER Management de Ressources Hydriques, Minières et Energétiques - option Génie de l’Eau. NAIT-SI Hassan 18  Le coefficient de torrentialité : C’est le rapport entre la fréquence des cours d’eau d’ordre 1 avec la densité de drainage Ct= Dd * F Pour notre bassin d’étude, on trouve que Ct=1.53 Km/Km4. Cette valeur traduit que le bassin ne représente pas des caractéristiques morphométriques adapté à l’écoulement, ainsi qu’il est constitué par des formations perméables dont l’infiltration est importante. V. Conclusion. Dans notre rapport, nous avons déduire les caractéristiques géomorphologiques et hydrométriques de notre Bassin Versant d’étude, à partir d’un modèle numérique de terrain. Nous avons utilisé l’outil SIG (ArcGis), pour extraire automatiquement les paramètre géomorphologique et hydrométrique, cette outil nous favorise un gain de temps et de l’effort. Les résultats obtenus à la fin, montrent la précision et les capacités des systèmes d’informations géographiques et les modèles numériques de terrain dans le calcul des paramètres qui influencent sur l’écoulement des eaux de surface. L'évaluation de ces paramètres qui intervenant dans le comportement hydrologique de notre Bassin Versant d’étude, nous a permis d'obtenir les résultats suivants : Notre Bassin Versant d’étude présente une surface de 116.5Km2 et un périmètre de 71.2Km, avec une longueur de 31.9Km et une largeur de 3.6Km, nous avons trouvé que KG=1.84 donc notre bassin présente une forme allongée, et à partir de notre courbe hypsométrique nous avons déduit que notre bassin est vieux, avec une altitude moyenne de 704.9m et une altitude médiane de 745m, un relief faible, une formation dans son ensemble perméable et avec un relief peu accidenté, ainsi qu’un temps de concentration de ruissellement faible. Ces caractéristiques favorisent aux eaux superficielles le temps de s’infiltrer. Nous avons trouvé que la longueur du cours d’eau principale est de 27.98Km, avec une pente moyenne du cours d’eau faible égal à 15.83m/Km et que l’ordre de Strahler de notre bassin est égal à 3. Le réseau hydrographique de notre bassin présente une hiérarchisation faible, et que notre bassin constitué par des formations perméables dont l’infiltration est importante. VI. Bibliographie BENTEKHICI, N : l’évaluation des caractéristiques physiques d’un bassin versant et leurs influences sur l’écoulement des eaux (bassin versant d’Oued El Maleh, Nord-Ouest d’Algérie).

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