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Evaluation de l'Erosion dans le bassin versant de la rivière Grise (Haiti)

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par Yvio GEORGES
Faculté universitaire des sciences agronomiques de Gembloux, Belgique - Master en gestion des Risques Naturels 2008
  

sommaire suivant

Contribution à l'évaluation de l'érosion dans le bassin versant de
la rivière Grise pour un meilleur plan d'aménagement.
Mémoire présenté par Yvio GEORGES
en vue de l'obtention du diplôme de
Master complémentaire en Gestion des risques naturels

Jury composé de :

Promoteur : Prof. Dimitri XANTHOULIS Lecteur : Prof. Pierre OZER

Lecteur : Prof. Roger PAUL

Lecteur : Prof. Petit François

Année académique 2007-2008

Remerciements

Nous ne saurions commencer la rédaction de ce document sans exprimer nos gratitudes à l'égard de l'Architecte de l'univers qui nous a donné de l'intelligence, de la santé et de l'énergie pour réaliser ce travail.

Au terme de celui-ci, je tiens à remercier de façon spéciale :

Mon promoteur monsieur le Professeur Dimitri XANTHOULIS pour ses multiples aides soit en termes de contact avec d'autres personnes qui travaillent en Haïti pour nous aider à acquérir certaines données ou soit par le support de son unité (hydrologie et hydraulique agricole) à commander des données cartographiques qui ont été nécessaires à ce travail, pour également les corrections du document et ses conseils.

Mes remerciements vont aussi à :

· Mr Olivier DEBAUCHE son assistant pour ses conseils et ses aides techniques.

· Mr le professeur Philippe LEPOIVRE que, grâce à son intervention l'AUF a finalement accepté de prolonger notre bourse jusqu'à la fin de l'année académique de la FUSAGx.

· L'Agence Universitaire de la Francophonie (AUF) pour son aide financière.

· Mes soeurs Ervine et Hodelanie, à mon frère Verhoux et mes parents pour leur support moral.

Je présente également mes sincères remerciements à tous ceux qui d'une façon ou d'une autre à contribuer à la réussite de ce travail notamment Monsieur Yvan CASTAIGNE, Professeur Jocelyn LOUISSAINT, Agronome Valentz POLO, mes amis Amani L. et Farid T., le CNIGS sans négliger les supports de mes amis haïtiens de la FUSAGx.

Tables des matières

Remerciements i

Tables des matières ii

Liste des figures iv

Liste des tableaux v

Liste des sigles et abréviations vi

Résumé vii

Abstract viii

INTRODUCTION 1

1.1- Objectifs 2

1.1.1- Objectif général 2

1.1.2- Objectifs spécifiques 2

1.2- Hypothèse 2

1.3- Cadre de l'étude 2

2- PRESENTATION DE LA ZONE D'ETUDES 3

2.1 - Géographique 4

2.2- Relief 4

2.3- Pédologie 5

2.4- Hydrographie 5

2.5- Végétation 6

3- REVUE BIBLIOGRAPHIQUE 6

3.1 - Introduction 6

3.2- Définition de l'érosion 7

3.3- Mécanisme de l'érosion 7

3.3.1 -Détachement 7

3.3.2- Transport : 7

3.3.3- Dépôt 7

3.4-Différentes formes d'érosion 8

3.4.1 - Erosion en nappe (sheeterosion) ou érosion diffuse. 8

3.4.2- Erosion en rigoles (rills). 8

3.4.3- Erosion en ravines (gullies). 8

3.5- Conséquences de l'érosion des sols 9

3.6-Facteurs de l'érosion 9

3.6.1- Facteur topographique ou l'influence de la pente (Ls) 10

3.6.2- Intensité des précipitations ou érosivité des pluies (R) 10

3.6.3- Couvert végétal (C) 10

3.6.4- Erodibilité des sols : K 11

3.6.5-Facteur d'aménagement 11

3.6.6-Facteurs anthropiques 11

3.7- Modèles d'évaluation de l'érosion 11

3.7.1- Introduction 11

3.7.2-Le modèle empirique de perte en terre de Wischmeier et Smith (USLE) 12

3.7.3- Modèle SWAT 12

3.7.3.1-Présentation de SWAT 12

3.7.3.2- Utilisation de SWAT dans le monde. 13

3.7.3.3- SWAT et le SIG 13

3.7.3.4- Fonctionnement de SWAT 14

3.7.3.5- Equation hydrologique de SWAT 15

3.7.3.6 -Données d'entrée (Input) de SWAT 16

3.7.3.7 - Formats des inputs utilisés par SWAT. 17

4- MATERIEL ET METHODE 18

4.1- Matériel 18

4.2-Méthode: 19

4.2.1 - Consultation des données préexistantes 19

4.2.2- Délimitation de la zone d'études 19

4.2.3- Préparation et intégration des inputs utilisés par SWAT. 19

4.2.4- Analyse et confrontation de cartes diverses 20

5- RESULTATS ET DISCUTIONS Erreur ! Signet non défini.

5.1 - Superficie en fonction de l'altitude du Bassin versant. Erreur ! Signet non défini.

5.2- Traitement, analyse et Confrontation de cartes diverses. Erreur ! Signet non défini.

5.2.1 La géologie et les isohyètes Erreur ! Signet non défini.

5.2.2- La carte de pente, réseau routier et densité d'habitat Erreur ! Signet non défini.

5.2.3-Occupation des sols du BV de la rivière Grise Erreur ! Signet non défini.

5.2.4 Pente, Occupation des sols et Isohyètes Erreur ! Signet non défini.

5.2.5-Erosion dans le bassin versant de la rivière Grise Erreur ! Signet non défini.

5.2.6-Carte de synthèse des analyses thématiques Erreur ! Signet non défini.

5.2.7 Sédimentation en aval de cette rivière Erreur ! Signet non défini.

5.2.8 Synthèse Erreur ! Signet non défini.

5.3 Estimation de la charge solide transportée par la rivière Grise Erreur ! Signet non défini.

CONCLUSION ET PERSPECTIVES Erreur ! Signet non défini.

BIBLIOGRAPHIE Erreur ! Signet non défini.

ANNEXES Erreur ! Signet non défini.

Liste des figures

Figure 1 : Carte géographique de la République d'Haïti 3

Figure 2 : Carte de relief du Bassin versant de la rivière Grise 4

Figure 3 : Carte des réseaux hydrographiques du bassin versant de la rivière Grise. 6

Figure 4 : site d'extraction de sédiments dans le lit de la rivière Grise dans la basse plaine. 8

Figure 5 les différentes zones d'un BV et les types de dégâts. 9

Figure 6 : Délimitation et subdivision du BV de la rivière Grise en des sous-bassins versants

13

Figure 7: schémas du cycle hydrologique 14

Figure 8: Données d'entrées et les résultats de traitement avec SWAT. 17

Figure 9: Courbe hypsometrique du bassin versant de la riviere Grise Erreur ! Signet non

défini.

Figure 10: Confrontation de la géologie, la pente et les isohyètes. Erreur ! Signet non

défini.

Figure 11 : Exploitation de pierres sur les pentes abruptes Erreur ! Signet non défini.

Figure 12 : Carte de pente, réseau routier et densité habitat de la rivière Grise . Erreur ! Signet non défini.

Figure 13 : Carte d'occupation (OCS) des sols dans le BV de la rivière Grise en 1998 Erreur ! Signet non défini.

Figure 14 : Pluviométrie mensuelle de la riviere Grise, 2007 Erreur ! Signet non défini.

Figure 15 : Pente, occupation des sols et isohyète de la rivière Grise. Erreur ! Signet non

défini.

Figure 16 : Carte d'érosion du BV de la rivière Grise. Erreur ! Signet non défini.

Figure 17 : Carte de synthèse des analyses thématiques Erreur ! Signet non défini.

Figure 18 : Profil en long de façon macroscopique de la zone de rupture de pentes jusqu'à

l'embouchure. Erreur ! Signet non défini.

Figure 19: Débit d'eau sédimenté passant par l'exutoire à Tabarre. Erreur ! Signet non

défini.

Liste des tableaux

Tableau 1: Effet de la pente sur le ruissellement et l'érosion 10

Tableau 2: Format des données d'entrée pour les précipitations. 17

Tableau 3: Format des données d'entrée pour les températures (3 champs) 17

Tableau 4: Format des données d'entrée pour la radiation solaire (2 champs). 17

Tableau 5 :Table de localisation spatiale de la station des précipitations. 18

Tableau 6: Types de données utilisées et leur provenance. 18

Tableau 7 : Géologie de la Rivière Grise Erreur ! Signet non défini.

Tableau 8 : Classe de pentes Erreur ! Signet non défini.

Tableau 9 : Occupation (ou couverture) des sols du BV de la rivière Grise en 1998. ... Erreur ! Signet non défini.

Tableau 10 : Risques d'érosion dans le BV de la rivière Grise Erreur ! Signet non défini.

Tableau 11: Débit moyens mensuels et sédiments passant par l'exutoire à Tabarre de 1985 à

1994. Erreur ! Signet non défini.

Tableau 12: Poids de sédiments charriés. Erreur ! Signet non défini.

Liste des sigles et abréviations

BV : Bassin Versant

BME : Bureau des Mines et de l'Energie

CNIGS : Centre Nationale de l'Information Géo-Spatiale

MARNDR : Ministère de l'Agriculture, des ressources naturelles et du développement rural

MNT : Modèle numérique de terrain

MPCE : Ministère de la Planification et de la Coopération Externe

OCS : Occupation des Sols

SIG : Système d'Informations Géographiques

SWAT : Soil and water assessment tool

UNESCO : Organisation des Nations Unies pour l 'Education, la Science et la Culture

USDA : Département de l'Agriculture des États-Unis

EPIC : Erosion and Productivity Impact Calculator

SWRRB : Simulator for Water Resources in Rural Basins

CREAMS : Chemicals Runoff and Erosion From Agricultural Management System

GLEAMS : Groundwater Loading Effects of Agricultural Management System

IFEN : Institut Français de l'Environnement.

LTHE : Laboratoire d'étude des Transferts en Hydrologie et Environnement.

Résumé

Cette étude s'est proposé de contribuer à l'évaluation de l'érosion dans le bassin versant de la rivière Grise en vue de proposer des perspectives pour un meilleur aménagement des zones à risque concernées par l'étude.

L'outil SIG et son couplage avec le modèle agro-hydrologique SWAT ont permis d'apprécier l'érosion au sein de la rivière Grise. Les traitements et les analyses effectués à l'aide du SIG fournissent une information spatialisée pouvant être utilisée comme support d'aide à la décision en permettant une localisation rapide des zones à hauts risques d'érosion dans le bassin versant de la rivière Grise, lesquelles doivent être prioritairement contrôlées et protégées. Vu qu'il n'apporte aucune indication sur la quantité de la charge solide pouvant être accumulée dans des endroits de la rivière qui sont sujets à des débordements, son couplage avec le modèle SWAT a été nécessaire afin de pouvoir quantifier la charge solide transportée par cette rivière lors des diverses averses.

L'analyse du profil en long, réalisé en suivant le lit de la rivière, contribue à déterminer les lieux d'accumulation des sédiments qui constituent des endroits possibles de débordement d'eau sur les zones de proximité.

L'étude révèle que les principales causes de l'érosion au sein de la rivière Grise sont liées à l'exploitation abusive des sols pour l'agriculture, le pâturage, l'exploitation des carrières, et l'urbanisation. Ce qui entraine très souvent des conséquences socio-économiques se manifestant par la perte des sols cultivables, l'affectation des infrastructures (routes, ponts), des équipements collectifs ou publics, pertes en vies humaines et des biens, des conséquences environnementales comme le dépeuplement de la flore marine, destruction d'habitats des espèces animales.

Mots clés: Erosion, Bassin versant, enjeux et aménagement

Abstract

This paper aims at contributing to the assessment of erosion in the watershed of the Grise river in order to propose prospects for a better management of risk areas concerned.

The Geographic Information System (GIS) tool and its coupling with the agro-hydrological SWAT model allowed assessing erosion within the Grise River. Processings and analyses achieved using GIS provide spatial information that can be used as help to decision allowing rapid localization of high risks areas of erosion in the Grise River watershed, which in priority must be controlled and protected. Given it doesn't provide any indication on the amount of sediment that may be accumulated in parts of the river that are liable to overflow, its coupling with the SWAT model has been necessary in order to quantify the sediment carried by this river during various showers.

An analysis of longitudinal profile, achieved by following the river bed, contribute to determine the accumulation sites of sediments that are possible water overflow locations over proximity areas.

The study reveals that the main causes of erosion within the Grise river are linked to the land abuse for farming, pasture, exploitation of quarries and urbanization. This often leads to both socio-economic consequences manifested by loss of arable land, allocation of infrastructures (roads, bridges...), collective or public equipements, loss of human life and goods, and environmental as depopulation of the marine flora, destruction of animal species habitats.

Keys words: Erosion, watershed, stake and planning

INTRODUCTION

L'érosion du sol reste encore le plus grand problème de l'environnement du monde, menaçant non seulement les pays développés, mais encore plus les pays en développement. 65% des sols sur la terre sont confrontés aux phénomènes de dégradation parmi lesquels l'érosion et la désertification. En Europe, 12% des sols sont en cours d'être menacés par l'érosion hydrique, et 4% par l'érosion du vent. Elle existe également sur 95 millions d'ha de terres en Amérique du Nord et 500 millions d'ha en Afrique (Xinhua, 2002).

Cette évolution de l'érosion au niveau des continents n'est pas divergente dans la plupart des pays parmi lesquels Haïti. Ce dernier, depuis 19501, subit une dégradation continue de son espace rural et de ses ressources naturelles (FAO, 1994). Le morcellement des terres, le déboisement et l'érosion l'ont mené à une situation écologique désastreuse, jugée même irréversible.

Des zones de pente qui devraient être des zones de réserves sont déboisées. Cette situation s'aggrave avec l'insécurité foncière qui sévit à travers tout le territoire haïtien et avec la surpopulation dans les montagnes, qui entraînent la substitution des plantes et des cultures pérennes par des cultures de cycles courts très érosives (Alleyn ,2006).

Avec une pluviométrie annuelle de 1 400 mm/an, le pays reçoit un volume de 40 milliards m3 d'eau, dont 90% s'en vont dans la mer à cause d'une faible infiltration due à l'absence d'arbres. Le quart de la surface du pays était couvert de forêt en 1950, il ne restait que 10% en 1987, 4% en 1994 et 1.4 % actuellement (Lebrun, 2004).

Cette diminution drastique du couvert végétal a pour corollaire une intensification des pertes en sol. Selon Latortue (1998) plus de 36 millions de tonnes de terre s'en vont dans la mer chaque année. La perte en terre cultivable s'élève à plus de 10 000 ha au niveau du pays. Tout cela entraîne, d'une part, une baisse de la production agricole due au transport de la couche arable par l'eau de surface, le tarissement des sources, la disparition des rivières, la sécheresse, d'autre part, des inondations, glissements de terrain, épidémies et des pertes en vies humaines lors des saisons pluvieuses. Des transports solides liés aux grandes crues laissent des torrents de boues au bas des champs, dans les fosses, sur les routes, des masses de sédiments dans les lacs, les fleuves, les canaux et dans certains ports du pays.

Cette situation, décrite pour l'ensemble du pays, n'est pas différente au niveau de la rivière Grise. La dégradation très poussée des sols de son bassin versant entraîne une forte accumulation de sédiments en aval de cette rivière. Une forte exploitation de pierres de façon irrationnelle sur des pentes abruptes en amont se fait sentir en vue de satisfaire aux demandes élevées des fournisseurs de matériaux de construction sur le marché de Port-au-Prince. Entre autres, les pentes érodées des montagnes de la Selle et du Trou d'eau2, conséquence de l'absence du couvert végétal et des pratiques culturales inappropriées renforcent davantage l'érosion.

Une divagation du lit de cette rivière est observée de l'amont vers l'exutoire. Elle est
amplifiée par le sapement des berges qui, dans plusieurs endroits du lit, est induit par une

1 Selon CHAMLEY (2002), Haïti comprenait jusque vers le milieu du 20è siècles un ensemble de forêts, cultures et prairies, au sol relativement préservé et à l'habitat plutôt dispersé. Alors que les décennies suivantes sont caractérisées par une explosion démographique (6enfants/femme) liée à un taux de croissance annuelle de 3%.

2 La source principale de la rivière Grise.

urbanisation anarchique sur les berges et même dans le lit majeur de la rivière. Le barrage de diversion de cette rivière, destiné à l'irrigation, étant actuellement complètement couvert de sédiments, constitue un exemple explicite de l'effet de l'érosion sur l'aval. D'autre part, à Tabarre, qui est une commune en développement industriel, à la moindre averse, des tonnes d'alluvions transportées par cette rivière s'étalent sur la chaussée, ce qui ralentit ou concentre la circulation à certains endroits. Même une partie de l'aéroport international de Port-au- Prince n'est parfois pas exempt de la montée d'eau sédimentée de cette rivière.

Vu que la rivière Grise n'est pas affranchie du phénomène d'érosion, comment s'y prendre pour évaluer son ampleur ? Y a-t-il des relations de causes à effets entre géologie, densité de l'habitat, occupation des sols et amplification de l'érosion dans le BV de la rivière Grise? Peut-on quantifier les éléments charriés par la rivière en crue? Où sont-ils déposés et ya-t-il des menaces qui y sont associées? Dans le cadre de ce mémoire, la combinaison de plusieurs outils peut permettre une meilleure appréciation du phénomène d'érosion dans le bassin versant de la rivière Grise.

1.1- Objectifs

1.1.1- Objectif général

L'objectif général de ce travail de fin d'études est de contribuer à l'évaluation de l'érosion dans le BV de la rivière Grise pour un meilleur plan d'aménagement.

1.1.2- Objectifs spécifiques

Les objectifs spécifiques consistent à :

· Etudier les relations entre les risques d'érosion et les différentes formes de l'utilisation du sol ;

· Identifier les menaces de l'érosion sur l'aval et les enjeux associés ;

· Contribuer à estimer le volume de sédiments charriés ;

· Formuler des recommandations pertinentes pour un meilleur plan d'aménagement de ce bassin versant.

1.2- Hypothèse

Le Système d'Information Géographique (SIG) et le modèle agro-hydrologique SWAT peuvent constituer des outils permettant de mieux apprécier l'érosion en tant qu'un risque considérable au niveau du bassin versant de la rivière Grise.

1.3- Cadre de l'étude

Un chapitre d'introduction qui présente le problème de l'érosion dans un cadre global puis local en le focalisant sur la zone d'études elle-même.

Le chapitre (2) présente la zone d'études sur le plan biophysique ;

Le troisième est constitué, d'une part, d'une synthèse bibliographique sur le thème traité
`Erosion des sols', son mécanisme, ses différentes formes, ses facteurs et conséquences. Et,
d'autre part, d'une analyse succincte du modèle d'évaluations de l'érosion de Wischmeier.

Ensuite, on y a procédé aussi à la présentation du modèle SWAT, son fonctionnement ainsi que son couplage avec le SIG.

Le chapitre 4, concerne les matériels et méthodes.

Le chapitre 5 présente les résultats et discussions.

2- PRESENTATION DE LA ZONE D'ETUDES

Source : http://www.lib.utexas.edu/maps/americas/haiti_pol99.jpg

Figure 1 : Carte géographique de la République d'Haïti

Yvio GEORGES Ing Agr. /MSC en Gestion des Risques Naturels

2.1- Géographique

Le bassin versant de la Rivière Grise est situé au Sud et à l'Est de la région métropolitaine de Port-au-Prince (la capitale de la république d'Haïti). Il est limité au Sud part le sommet du massif de la Selle, à l'Ouest par les mornes Calebasse et Gelin, à l'Est par les mornes Mare Réseau et Pays-Pourri, et au Nord par les mornes Dumay et Chacha. Il a une superficie d'environ 39 289 ha. Cette rivière traverse la Plaine du Cul-de-sac et assure le rechargement de sa nappe, laquelle contribue fortement à l'approvisionnement de Port-au-Prince en eau. Elle représente une source d'exploitation intensive de matériaux de construction. Le sable est exploité et vendu sur le marché de Port-au-Prince (Holly, 1999).

2.2- Relief

4

Figure 2 : Carte de relief du Bassin versant de la rivière Grise

Constituée de faible pente, la plaine du cul-de-sac forme l'aval de ce bassin versant et tend de 0 à 200m d'altitude sur une distance de 20 km tandis qu'en amont de ce BV, l'altitude varie de 200 à 2250 m avec des pentes très fortes. On peut avoir une idée de la hauteur du haut bassin versant si on se réfère au pic du mont de la Selle, le plus élevé d'Haïti, qui est estimé à 2600 m d'altitude et surtout sur la manière dont il pourrait influencer l'érosion par ses fortes pentes. Car ce BV est constitué de pentes allant de 30 à plus de 60 % (1.2 de l'annexe, I).

2.3- Pédologie

Les sols de la zone d'études constituent une mosaïque selon l'histoire géologique de la roche mère et le relief. Ils sont provenus de basaltes, de calcaires et d'alluvions. En amont, ils sont confrontés à deux nombreuses contraintes dont la surexploitation (jachères pâturées, surpâturage, besoin en chaume). Ils sont pour la plupart perdu leur horizon A (la couche de matière organique) et même leur horizon B (couche de médium friable pénétrable par les racines).

Selon Sergile (1998), la rivière Grise est constituée principalement des sols suivants : poche sols sur karst (PK), sols minces sur Karst (MK), sols d'alluvions (SA), sols caillouteux (SC) et sols sur Basaltes (B). (Annexe II)

Sols sur Basaltes (B) = Ce sont des sols très friables, bien drainés et très vulnérables à l'érosion. Ils ne sont constitués que d'une couche de matériaux basaltiques altérés.

Poche sols sur karst (PK) = Ces sols se sont développés sous les forêts de pins et de feuillus. Ils ont une bonne capacité de rétention d'eau mais l'horizon A est déjà érodé.

Sols minces sur Karst (MK) = identiques au précédent, les sols minces sur Karst sont formés dans les aires à relief accidenté. Dans certaines localités, l'épaisseur du sol n'est que 5 cm ou moins.

Sols alluvionnaires (SA) = Ceux-ci sont formés à partir de sédiments transportés par la rivière grise et ses affluents.

Sols caillouteux (SC) = ce sont des pauvres sols et dont la couche arable a été érodée. La roche mère se compose de gravier et cailloux qui font l'objet d'exploitation intensive.

Les sols de la rivière Grise sont donc en grade partie du calcaire quand on analyse les sols PK (poche sols sur karst), MK (sols minces sur Karst) et les sols caillouteux (couleur blanchâtre). Les données observées sur la carte de sol de la FAO (2005) soulignent aussi une dominance en sols calcaires de la zone.

2.4- Hydrographie

Le BV de la rivière Grise renferme un ensemble de cours d'eau et de sources. La plupart d'entre eux sont pérennes. La pluviométrie approchée est en moyenne de 1300 mm\an à Port- au-Prince, 1024 à Damien et 946 à Croix-des-Bouquets qui constitue comme pour toute la basse plaine, une zone semi-aride. En amont (Sergile, 1998), le climat est humide dans les montagnes qui sont exposées au vent3 et sèche dans le cas contraire. Cette constatation peut être faite en regardant la pluviométrie enregistrée à la station de Kenscoff (1450 m d'altitude) qui s'élève à 2000 mm contre 1400 mm à Pétion Ville (Figure 2). Deux saisons pluvieuses sont observées au niveau du BV de la Rivière Grise. La première va d'Avril à Mai, suivie par une saison sèche de Juin à Juillet. La seconde, de Septembre à Novembre, alterne avec une autre période de sécheresse de Décembre à Mars (Sergile, 1998 ; Holly, 1999). Cette rivière a un débit moyen de 3,93 m3/s.

3 Appelé effet de foehn, lorsque les régions exposées au vent sont humides et sèches quand elles sont placées sous le vent ou dans les dépressions.

Source : CNIGS, 2008

Figure 3 : Carte des réseaux hydrographiques du bassin versant de la rivière Grise. 2.5- Végétation

La végétation de la région où se trouve la zone d'études est « l'une des plus intéressante de la caraïbe du point de vue botanique» (Ekman 1926, Judd 1987, Holdridge 1947) cité par Sergile (1998). Elle présente un mélange de forêts de pin, des feuillus abritées par des zones de forêt très humide de montagne, des forêts humides de basse altitude, de forêt humide et de forêt sèche de la zone sous-tropicale. Ces zones de végétation fournissent du bois de feu, des poutres, des planches, des fruits et de la matière organique à la région. Cependant, de nos jours, on ne peut plus parler de forêts vierges mais de bosquets de plantes éparses. L'érosion génétique est aussi palpable que celle des mornes vu que les meilleurs arbres (naturels ou artificiels) coupés au fil des ans ne sont pas régénérés.

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