faisabilité d’une modélisation du transfert azoté du sol

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Faisabilité d’une modélisation du transfert azoté du sol vers les nappes

et les rivières Rapport final

BRGM/RP-61823-FR Décembre 2012

Faisabilité d’une modélisation modélisation du transfert azoté du sol

vers les nappes et les rivières Rapport final

BRGM/RP-61823-FR

Décembre 2012

Étude réalisée dans le cadre des opérations de Service public du BRGM 2012

Douez O., Chatelier M., Cussey S.

Vérificateur :

Nom : L. Gourcy

Date : 12/02/2013

Approbateur :

Nom : F. Bichot

Date : 26/02/2013

En l’absence de signature, notamment pour les rapports diffusés en version numérique, l’original signé est disponible aux Archives du BRGM.

Le système de management de la qualité du BRGM est certifié AFAQ ISO 9001:2008.

Mots clés : modélisation, nitrates, sol, SWAT En bibliographie, ce rapport sera cité de la façon suivante : Douez O., Chatelier M., Cussey S. (2012) - Faisabilité d’une modélisation du transfert azoté du sol vers les nappes et les rivières. BRGM/RP-61823-FR, 88 p., 45 ill., 3 annexes © BRGM, 2012, ce document ne peut être reproduit en totalité ou en partie sans l’autorisation expresse du BRGM.

Faisabilité d’une modélisation du transfert azoté du sol vers les nappes et les rivières

BRGM/RP-61823-FR - Rapport final 3

Synthèse

Différentes études menées ces dernières années sur la qualité des eaux souterraines en Poitou-Charentes indiquent le caractère dégradé des nappes libres. Cette dégradation est le fait de teneurs élevées en nitrates et molécules phytosanitaires engendrée par une forte pression agricole. L’état des lieux de la qualité des eaux souterraines réalisé sur le bassin versant de la Charente en 2009 [Bichot. F. et al. (2010)] a permis d’entamer une réflexion quant à l’utilisation des modèles hydrodynamiques développés sur la région pour simuler les transferts d’azote au sein des eaux souterraines. Cette réflexion montre la nécessité de disposer de données quantitatives d’intrants en fonction des pratiques culturales, données à implémenter en entrée d’un modèle de transfert de flux au travers des compartiments « sol » et « nappe ». Si les modèles hydrodynamiques régionaux développés sous MARTHE sont en mesure de simuler l’écoulement et le transport de soluté dans le compartiment souterrain, c’est-à-dire en zone saturée, des lacunes persistent pour retranscrire le comportement d’un soluté entre son entrée dans le sol et son point de contact avec la nappe. De fait, il se révèle nécessaire de rechercher un modèle de transfert en zone non saturée qui puisse 1) intégrer les transformations des différentes formes d’azote dans les soles puis au cours de leur transport en ZNS et 2) être couplé au code de calcul MARTHE.

Une analyse synthétique des outils généralement utilisés pour le transfert de flux de nitrates de la zone non saturée (AGRIFLUX, BICHE, STICS et SWAT) a donc été réalisée : étude du fonctionnement des modèles, liste des paramètres d’entrées nécessaires et de sorties etc…. Parmi ces codes de calcul, le logiciel SWAT a été retenu pour ces capacités à répondre aux attentes citées précédemment. A l’échelle du bassin versant, ce logiciel possède l’avantage d’être utilisé par IRSTEA avec qui une collaboration a été engagée. La force de cette collaboration repose sur l’expertise couplée d’IRSTEA d’une part pour les pratiques culturales et les transferts et réactions en zone non saturée et du BRGM d’autre part pour les écoulements et la qualité des eaux souterraines.

Après examen des différents fichiers issus de SWAT (modèle global semi-distribué) et ceux nécessaires au fonctionnement de MARTHE (modèle maillé), le couplage externe entre les 2 modèles a pu être réalisé et une méthodologie développée.

Afin de tester le couplage sur un cas concret, le bassin de la Boutonne localisé sur l’extension du modèle Jurassique [Douez et Bichot (2011)] a été retenu. Après découpage du modèle hydrodynamique sur ce bassin, des simulations ont été réalisées à partir de données de flux d’azote à la nappe fournies par IRSTEA. Si les simulations ne retranscrivent pas fidèlement les chroniques de concentrations en nitrates connues dans les eaux souterraines, les ordres de grandeur sont respectés et la phase de couplage est effective. Il convient maintenant de poursuivre la collaboration avec IRSTEA afin d’affiner les scénarios de pratiques culturales et d’aboutir à la création d’un outil robuste permettant la simulation des transferts de nitrates à travers le sol, le sous-sol et les cours d’eau.



Sommaire

1. Introduction ........................................................................................................................ 9

2. Quelques modèles de transfert de flux en zone non saturée ........................................ 11

2.1. AGRIFLUX .................................................................................................................. 11

2.1.1. Fonctionnement ................................................................................................. 11

2.1.2. Entrées, paramètres et sorties ........................................................................... 14

2.1.3. Applications ....................................................................................................... 16

2.2. BICHE ......................................................................................................................... 16

2.2.1. Fonctionnement ................................................................................................. 17


2.2.3. Applications ....................................................................................................... 21

2.3. STICS ......................................................................................................................... 21

2.3.1. Fonctionnement ................................................................................................. 21


2.3.3. Applications ....................................................................................................... 26

2.4. SWAT ......................................................................................................................... 27

2.4.1. Fonctionnement ................................................................................................. 27


2.4.3. Applications ....................................................................................................... 37

2.5. TABLEAU RECAPITULATIF DES MODELES DE TRANSFERT DE FLUX ................. 37

3. Analyse du couplage externe SWAT/MARTHE ............................................................... 39

3.1. LE LOGICIEL DE MODELISATION MARTHE............................................................. 39

3.2. VARIABLE « NITRATES » SWAT / MARTHE ............................................................. 40

3.3. GEOSPATIALISATION DES HRU .............................................................................. 41

3.4. TRAITEMENT DES SORTIES DE SWAT ................................................................... 41

4. Test de couplage sur un cas concret : le bassin versant de la Boutonne.................... 45

4.1. LE MODELE HYDRODYNAMIQUE DU JURASSIQUE : PRESENTATION SUCCINCTE ............................................................................................................... 45

4.2. LE BASSIN DE LA BOUTONNE : QUELQUES GENERALITES ................................. 47

4.3. DECOUPAGE DU MODELE DU JURASSIQUE DE MARTHE .................................... 50

4.4. ADAPTATION DU BILAN HYDROCLIMATIQUE SOUS GARDENIA .......................... 50


6 BRGM/RP-61823-FR - Rapport final

4.5. TRANSPORT DES NITRATES DANS LE MODELE DE LA BOUTONNE................... 60

4.5.1. Données d’intrants – SWAT de l’IRTSEA .......................................................... 60

4.5.2. Préparations pour le calcul du transport ............................................................ 61

4.5.3. Tests de modélisation du transport des nitrates ................................................. 63

5. Conclusion ....................................................................................................................... 67

6. Bibliographie .................................................................................................................... 69

Liste des illustrations

Illustration 1 : Représentation schématique du bilan hydrique dans le sol par Hydriflux [Banton et Larocque, (1993-2003)] .................................................................................................. 12

Illustration 2 : Représentation schématique de la modélisation du cycle de l’azote par NitriFlux ............ 13

Illustration 3 : Fonctionnement du modèle modulaire Agriflux [Banton et Larocque (1993-2003)] .......... 13

Illustration 4 : Entrées et paramètres du modèle Agriflux (Hydriad)* : paramètres statistiques en gris : les paramètres optionnels ............................................................................................... 16

Illustration 5 : Représentation schématique des flux d’eau modélisés par BICHE [(Surdyk et al. (2011) d’après Thiéry (2003)] ........................................................................................ 18

Illustration 6 : Représentation schématique du cycle hydrologique (bleu) et chimique (orange) modélisé par BICHE (Gourcy et al., 2011, d’après Thiéry, 1990) .................................. 19

Illustration 7 : Liste des paramètres de BICHE (d’après Thiéry, 1990) – en gras, les paramètres obligatoires pour faire tourner le modèle ........................................................................ 20

Illustration 8 : Liste des coefficients globaux de correction des données de BICHE [d’après Thiéry (1990)] ............................................................................................................................. 21

Illustration 9 : Modules de STICS [INRA (2002a)] .................................................................................... 22

Illustration 10 : Représentation schématique du cycle de l’azote modélisé par STICS [Gomez (2002) d’après Schnebelen (2000) et Brisson et al, (1998)] ...................................................... 23

Illustration 11 : Entrées de STICS [INRA (2002b)] en gris : les paramètres optionels ............................. 26

Illustration 12 : Création des HRU (diagramme fourni par IRSTEA) ........................................................ 28

Illustration 13 : Compartiments pris en compte dans SWAT [d’après Duros, 2001] ............................... 29

Illustration 14 : Processus et transferts pris en compte dans le bilan hydrologique de SWAT (adapté par Bioteau (2002) sur la base de Neitsch et al. (2005) ................................................. 29

Illustration 15 : Représentation schématique des réservoirs d’azote et de leur relation [Neitsch et al. (2005)] ............................................................................................................................. 30

Illustration 16 : Entrées de SWAT (Neitsch et al., 2010) .......................................................................... 36

Illustration 17 : Tableau récapitulatif des modèles de transfert de flux * : Occupation du sol, itinéraire technique et type de sol *** : Nitrates lixiviés en sortie du profil ..................................... 38

Illustration 18 : Représentation spatiale d’un système multicouche sous MARTHE ................................ 40

Illustration 19 : Tableau de comparaison de la sortie de SWAT et de l'entrée de MARTHE ................... 41

Illustration 20 : Création de chroniques de nitrates par mailles................................................................ 41



Illustration 21 : transformation du fichier SWAT pour intégration dans Marthe ........................................ 42

Illustration 22 : des sorties Swat aux chroniques d’intrants pour Marthe ................................................. 43

Illustration 23 : Extension tridimensionnelle du modèle Jurassique ......................................................... 46

Illustration 24 : Zone d’étude .................................................................................................................... 48

Illustration 25 : Coupe géologique du bassin-versant de la Boutonne dans le sens de la longueur [Bichot F. (2005)] ............................................................................................................ 49

Illustration 26 : Extension du modèle sur la Boutonne ............................................................................. 50

Illustration 27 : Schéma de fonctionnement de la recharge ..................................................................... 51

Illustration 28 : Zones de pluies et d’ETP ................................................................................................. 51

Illustration 29 : Détermination des zones de sol....................................................................................... 52

Illustration 30 : Localisation des piézomètres utilisés pour le calage du modèle ..................................... 53

Illustration 31 : Chroniques piézométriques du Jurassique supérieur altéré - données observées vs. données calculées .......................................................................................................... 54

Illustration 32 : Chroniques piézométriques du Dogger - données observées vs. données calculées .... 54

Illustration 33 : Chroniques piézométriques de l’Infra-Toarcien - données observées vs. Calculées ..... 55

Illustration 34 : Localisation des stations hydrologiques utilisées pour le calage du modèle .................. 55

Illustration 35 : Chroniques de débits - données observées vs. données calculées ............................... 56

Illustration 36 : Cartes des différences de charges hydrauliques entre le modèle Jurassique global initial et le modèle découpé pour le pas de temps 55 – mars 2004 (a : altérites (1) et Jurassique supérieur altéré (2), b : Dogger, c : Infra-Toarcien) ..................................... 57

Illustration 37 : Cartes des différences de charges hydrauliques entre le modèle Jurassique global et le modèle découpé pour le pas de temps 101 – décembre 2007 (a : altérites (1) et Jurassique supérieur altéré (2), b : Dogger, c : Infra-Toarcien) ..................................... 58

Illustration 38 : Cartes piézométriques du Jurassique supérieur altéré (a) et du Dogger (b) restituées par le modèle au pas de temps 81 (mai 2006) ............................................................... 59

Illustration 39 : Distribution spatiale des intrants pour les 2 jeux de données (moyenne annuelle pour l’année 2000) issus de SWAT ........................................................................................ 60

Illustration 40 : Croisement de la grille du modèle MARTHE et des HRU issus de SWAT ..................... 61

Illustration 41 : Limites de calcul du transport avec les concentrations extérieures (légende de la géologie : voirIllustration 24) ........................................................................................... 62

Illustration 42 : Localisation des qualitomètres avec chroniques de nitrates ........................................... 62

Illustration 43 : Chroniques de concentrations en nitrates pour les points de calage et sensibilité à la porosité – jeu de données 1 ........................................................................................... 64

Illustration 44 : Chroniques de concentrations en nitrates pour les points de calage et sensibilité à la porosité – jeu de données 2 ........................................................................................... 65

Illustration 45 : Cartes des concentrations de nitrates en hautes eaux et basses eaux pour les 2 jeux de données ..................................................................................................................... 66



Liste des annexes

Annexe 1 : Relations nappe-riviere pour le bassin de la Boutonne à l’etiage (Bichot F. (2005)]

Annexe 2 : Cartes des sommes annuelles d’intrants du jeu de données n° 1

Annexe 3 : Cartes des sommes annuelles d’intrants du jeu de données n° 2



1. Introduction

Les différentes études menées ces dernières années sur la qualité des eaux souterraines en Poitou-Charentes montrent le caractère dégradé des nappes libres du fait des pressions anthropiques [Bichot. F. et al. (2010), Douez et al. (2010), Douez et al. (2011)]. Par ailleurs, le travail réalisé sur l’état des lieux du bassin versant de la Charente en 2009 [Bichot. F. et al. (2010)] a amorcé une réflexion quant à l’utilisation des modèles hydrodynamiques des nappes du Jurassique [Douez et Bichot (2011)] et du Crétacé supérieur des Charentes [Douez et Bichot (2012)], développés sous MARTHE, pour la modélisation des transferts azotés.

Ainsi, une analyse des modèles les plus utilisés simulant le transfert de l’azote entre la surface du sol et la nappe, et qui sont susceptibles d’être utilisés en amont de MARTHE, fait l’objet de la première partie de ce rapport.

En parallèle de ce travail s’est développé un partenariat avec l’IRSTEA qui travaille sur la modélisation du transfert de nitrates sur le bassin de la Charente depuis plusieurs années à l’aide du logiciel SWAT. Le partenariat entre l’IRSTEA et le BRGM apporte ainsi la complémentarité de compétences entre le domaine superficiel et agronomique d’un côté et le domaine souterrain de l’autre pour la modélisation du transport des nitrates. En effet, l’IRSTEA dispose d’une très bonne connaissance des pratiques culturales sur ce bassin ; d’où l’étude de la faisabilité de coupler les modèles SWAT et MARTHE qui fait l’objet de la seconde partie de ce rapport.

Afin d’analyser ce couplage sur un cas concret, un bassin pilote, celui de la Boutonne, complètement intégré dans le modèle Jurassique, a été retenu. Suite à l’envoi de deux jeux de données d’intrants sur le bassin de la Boutonne par l’IRSTEA, issus du modèle SWAT, le couplage des modèles a été réalisé et fait l’objet de la dernière partie de ce rapport. Ce travail s’intègre dans le cadre des activités des Service Public du BRGM et a reçu la soutien financier du l’Agence de l’Eau Adour-Garonne et l’appui de l’EPTB Charente.



2. Quelques modèles de transfert de flux en zone non saturée

Il existe divers modèles permettant la simulation du cycle de l’azote dans le sol, généralement développés par les universités ou des organismes et instituts liés au monde agricole. Ce travail se concentre sur les modèles macroscopiques de transfert susceptibles d’être couplés à MARTHE et déjà utilisés soit par le BRGM soit par de potentiels partenaires régionaux, experts en agronomie, tels que l’IRSTEA ou l’INRA.

Les modèles AgriFLux, BICHE, STICS et SWAT font l’objet de cette synthèse.

2.1. AGRIFLUX

Le logiciel Agriflux1 permet la simulation 1) des flux d’eau et de solutés de la surface du sol vers la nappe et 2) des transformations de l’azote et des pesticides dans la zone non saturée du sol. C’est à la fois un modèle mécaniste, c’est-à-dire basé sur une représentation physique des processus, et stochastique, c’est à dire incorporant la variabilité des paramètres. Ce modèle à réservoirs a été spécifiquement créé dans l’optique de gestion des pollutions agricoles [Banton et Larocque (1993-2003)].

Ce modèle, unidimensionnel, simule les transferts et réactions au travers d’un profil de sol pouvant être divisé en horizons de propriétés différentes (réf. notice AGRIFLUX). Le pas de temps de calcul est journalier.

2.1.1. Fonctionnement

AgriFlux est organisé en trois modules principaux fonction de l’élément simulé :

Hydriflux pour le transport de l’eau. Le module Hydriflux prend en compte la partition

de la recharge (précipitations, fonte des neige) entre ruissellement et infiltration,

l’évaporation, le prélèvement d’eau par les plantes et les transferts d’eau par

percolation et drainage artificiel. Les écoulements verticaux d’eau sont régis par la loi

de Darcy-Richards permettant l’alternance saturée/non saturée du milieu. Le bilan

hydrique fourni un flux de recharge à la nappe (Illustration 1).

1 Développé en C/C++, sa création découle d’un projet subventionné par le Ministère de

l'Environnement et de la Faune du Québec. Le logiciel peut être téléchargé sur le site internet d’Hydriad (http://www.hydriad.com/id19.html).



Illustration 1 : Représentation schématique du bilan hydrique dans le sol par Hydriflux [Banton et Larocque, (1993-2003)]

Nitriflux pour le cycle et le transport de l’azote. Le cycle de l'azote est simulé lorsque

le module NitriFlux est activé. Dans chaque couche, l'azote est présent dans les six

réservoirs suivants (Illustration 2) :

- la litière (résidus végétaux à décomposition rapide),

- les fèces (azote d'origine animale à décomposition rapide),

- l’humus (résidus végétaux à décomposition lente)

- l’ammonium,

- les nitrates,

- les plantes.

L’azote atmosphérique n’est pas pris en compte, mais il est possible de l’intégrer dans le modèle en tant que fertilisant inorganique.

Deux types de fertilisations sont différenciées : organique (apport des réservoirs litière, fèces et humus) et inorganique (apport des réservoirs ammonium et nitrates). Par ailleurs, AgriFlux prend en compte l’effet retard des granulés pour la fertilisation inorganique.

Le réservoir ammonium représente un intermédiaire entre l’azote organique et la fertilisation (apports) et les réservoirs nitrates et plantes (pertes). Les réservoirs litière et fèces comprennent également un réservoir carbone qui permet, par le rapport C/N, de calculer la minéralisation nette en ammonium.

L’augmentation des nitrates provient soit directement de la fertilisation organique et inorganique, soit indirectement par nitrification de l’ammonium. Les pertes en nitrates sont issues de la consommation par les plantes, de la lixiviation et de la dénitrification. Les nitrates, seule forme mobile de l’azote considérée par le modèle, migrent d’un horizon à l’autre par percolation.

Azote organique

Azote minéral



Illustration 2 : Représentation schématique de la modélisation du cycle de l’azote par NitriFlux

Pestiflux pour les transformations et le transport des pesticides et de leurs

métabolites : application, volatilisation, ruissellement de pesticides, adsorption,

désorption lente et rapide, biodégradation et flux de pesticides

Le module HydriFlux peut fonctionner indépendamment pour modéliser seulement les flux d’eau mais reste nécessaire aux deux autres modules pour la simulation des flux d’azote et/ou de pesticides (Illustration 3).

Illustration 3 : Fonctionnement du modèle modulaire Agriflux [Banton et Larocque (1993-2003)]



2.1.2. Entrées, paramètres et sorties

Les données d’entrée et les paramètres (Illustration 4) sont regroupés dans différents fichiers descriptifs : le scénario simulé, le profil de sol, le cycle de l’azote, la fertilisation, les transformations des pesticides, leur application, les cultures et leur cycle.

Au regard de la forte variabilité spatiale de certains paramètres et des facteurs conditionnant les processus hydrologiques, les paramètres, telles que la conductivité hydraulique à saturation, sont décrits par une loi de distribution définie par l’utilisateur. Cette approche permet à Agriflux de réaliser un ensemble de simulations déterministes pures pour chacune desquelles les valeurs de paramètres sont tirées aléatoirement (tirage Monte Carlo) dans les distributions statistiques déclarées des valeurs naturelles de chaque paramètre.

Entrées/paramètres Gammes de

valeurs autorisées

Sol

Profondeur maximale d'évaporation* (m) 0-20

Pente du terrain* (%) 0-100

Conductivité hydraulique à saturation* (m/j) 0.0000001-100

Re

mp

lir p

ar c

ou

che

s d

e s

ol (

1-2

0)

Contenu en sable* (%) 1-100

Contenu en limon* (%)

Contenu en argile* (%)

Porosité* (m3/m3) 0-1

Point de flétrissement* (m3/m3)

Capacité au champ* (m3/m3)

Epaisseur* (m) 0.01-5

Masse volumique apparente sèche* (g/m3) 0.5-5

Contenu en matière organique* (%) 0-100

Fraction de matière organique dissoute* 0-1

Macroporosité (nombre de couches)

Facteurs de majoration de la conductivité hydraulique à saturation en présence de

macroporosité (m/j) 1-1000

Nombre de couches touchées 1-20

Fraction de la surface touchée* 0-1

Début et fin de la période de structuration -

Drains (localisation sur une ou plusieurs couches)

Espacement des drains* 1-1000

Localisation des drains (couches supérieures et inférieures)

1-20

Présence d'une couche imperméable

Climat

Précipitations journalières (m)

-

Température moyenne mensuelle (°C)

Evaporation moyenne mensuelle (m)

Jour où la température est la plus froide

Nombre de jours de pluie 0-365

Fraction de neige au sol au début de la fonte* 0-1

Taux de fonte de la neige* (m/°C/j) 0-0.1

Azote

Constante de dégradation de la Litière* (j-1) 0.001-0.1

Constante de dégradation des Fèces* (j-1)

Efficacité de la synthèse microbienne dans la Litière* 0-1



Efficacité de la synthèse microbienne des Fèces*

Fraction de la Litière passant à l'Humus*

Fraction des Fèces passant à l'Humus*

Rapport C/N du sol* 0-100

Constante de minéralisation de l'Humus* (j-1) 0.00001-0.001

Fraction de l'azote inorganique disponible* 0-0.5

Rapport NO3-/NH4+ du sol* 0-100

Constante de nitrification* (j-1) 0.01-1

Constante de demi-saturation pour la dénitrification* (mgN/l) 0-50

Constante de dénitrification* (gN/m².j) 0.01-1

Profondeur maximale de dénitrification* (m) 0-20

Patron de dénitrification* exp, lin, const

Contenu en C du réservoir Litière* (kgC/ha) 0-50000

Re

mp

lir p

ar c

ou

che

s d

e

sol (

1-2

0)

Contenue en N du réservoir Litière* (kgN/ha) 0-50000

Contenu en C du réservoir Fèces* (kgC/ha) 0-50000

Contenue en N du réservoir Fèces* (kgN/ha) 0-50000

Contenue en N du réservoir Humus* (kgN/ha) 0-50000

Contenue en N du réservoir Ammonium* (kgN/ha) 0-50000

Contenue en N du réservoir Nitrates* (kgN/ha) 0-50000

Fertilisation

Nombre de fertilisation 1-60

Type de fertilisation inorganique ou

organique

Date de fertilisation (jours, mois, années) -

Fertilisant inorganique et organique

Contenu en NH4+* (kgN/ha) 0-500

Re

mp

lir p

ar f

ert

ilisa

nts

Contenu en NO3-* (kgN/ha)

Fertilisant organique

Profondeur d'application* (m) 0-0.5

Volume d'eau apporté* (m3/ha) 0-500

Contenu en Litière* (kgN/ha) 0-1000

Contenu en Fèces* (kgN/ha)

Rapport C/N de la Litière* 0-200

Rapport C/N des Fèces*

Fertilisant inorganique Type de relargage const, exp

Nombre de jours de relargage* 0-30

Culture

Besoin en azote* (kgN/ha) 0-1000

Re

mp

lir p

ar c

ult

ure

s Besoin en eau* (m)

0-1 Fraction de l'azote récoltée*

Fraction de l'azote résiduelle*

Rapport C/N des racines* 0-200

Rapport C/N des résidus de récolte*

Profondeur des racines à maturité* (m) 0-20

Patron racinaire exp, lin, const

Semis de culture

Nombre de semis 1-20

Re

mp

lir

par

se

mis

et

cult

ure

s

Type de culture annuelle ou

pérenne



Date de début et date de fin de prélèvement -

Coupes : nombre et dates 0-5

Incorporation des résidus Date d'incorporation -

Profondeur d'incorporation* (m) 0-0.5

Illustration 4 : Entrées et paramètres du modèle Agriflux (Hydriad)* : paramètres statistiques en gris : les paramètres optionnels

Les résultats sont écrits sous quatre formes :

flux journaliers d’eau (m/j), massique d’azote (kgN/ha), et massique de pesticides

(kgpest/ha),

concentrations dans les flux d’azote (mgN/l), pesticides (mgpest/l),

état des réservoirs du sol (kg/ha) : carbone, azote, nitrates, ammonium, pesticides en

solution et pesticides adsorbés,

et flux cumulés : eau, nitrates, pesticides.

2.1.3. Applications

Le modèle AgriFlux a été créé dans le but d’être facilement utilisable par des intervenants du monde agricole et le transfert des nitrates a été le principal objet des études de modélisation [Banton et al. (1995) ; Larocque et Banton (1995) ; Larocque et Banton (1996) ; Dupuy et al. (1997a) ; Dupuy et al. (1997b) ; Villard et al. (2003)]. L’utilisation a par la suite été étendue aux pesticides à partir de 1998 [Larocque et al. (1998) ; Guimont (2005)].

L’échelle de simulation, représentée par une colonne sol, est généralement la parcelle agricole. Le transfert de nitrates peut tout de même être simulé à l’aide de plusieurs Agriflux sur une ou plusieurs parcelle [Larocque et Banton, 1995 ; Villard et al. (2003)] et il possible de modéliser des zones plus importantes si elles présentent une homogénéité du type de sol et du type de culture [Dupuy et al. (1997b)].

Enfin, le modèle AgriFlux a déjà été couplé avec MARTHE 2D à l’aide du modèle global à réservoir NASH [Gigleux (2009)]. Ce dernier a permis de faire le lien entre la recharge et les flux de masses provenant d’AgriFlux au sommet de la zone non saturée et les entrées de MARTHE 2D. Les deux systèmes de modèles ont été calés avant le couplage.

2.2. BICHE

Développé par le BRGM, le modèle BICHE (Bilan CHimique des Eaux) est un modèle mathématique de simulation des transferts de nitrates dans un bassin versant. C'est un modèle global qui effectue un bilan entre les quantités de nitrates apportées (par application et par minéralisation du sol), consommées (par les plantes) et infiltrées (par les pluies efficaces) [Surdyk et al. (2011)].

A noter que ce logiciel, codé en FORTRAN, peut être utilisé seul ou couplé avec le code de calcul MARTHE (couplage interne) et son interface graphique WinMARTHE.




Dans ce modèle, les principaux mécanismes du cycle de l'eau dans un bassin versant (pluie, évapotranspiration, infiltration, écoulement) sont simulés par une succession de réservoirs. Les transferts d'un réservoir à l'autre sont régis par des lois simples et leurs paramètres (réserve utile, temps de transferts, seuils de débordement, etc.) caractéristiques de chaque réservoir (Surdyk et al. (2011). La discrétisation temporelle peut être choisie à plusieurs pas de temps : journalier, pentadaire, décadaire ou mensuel. Le principe de fonctionnement est identique à celui du modèle hydrologique global GARDENIA (modèle Global A Réservoirs pour la simulation des DEbits et des NIveaux Aquifères [Thiéry (2003)]) qui permet de simuler un débit à l’exutoire et/ou plusieurs niveaux piézométriques en un point du bassin.

Dans un schéma classique, une succession de 3 réservoirs modélisent les principaux processus impliqués dans le cycle de l’eau (Illustration 5) :

la pluie efficace dans le premier réservoir superficiel T à partir de la pluie et de l’ETP (Evapotranspiration potentielle),

la recharge de la nappe et un écoulement rapide pouvant correspondre au ruissellement dans le second réservoir intermédiaire H,

l’alimentation du cours d’eau par la nappe a une ou deux composantes dans le troisième réservoir souterrain G1.

Un quatrième réservoir souterrain profond G2 peut être ajouté avec la modélisation d’une infiltration profonde en entrée et d’un écoulement très lent en sortie.

Les transferts depuis le premier réservoir sol sont effectués par débordement (Réserve Utile maximale), alors que les transferts dans les réservoirs suivants sont réalisés à partir de temps de demi-tarissement et de demi-montée.



Illustration 5 : Représentation schématique des flux d’eau modélisés par BICHE [(Surdyk et al. (2011) d’après Thiéry (2003)]

Le transport des nitrates est modélisé à partir du bilan hydrologique, et du bilan de l’azote qui est réalisé dans le premier réservoir sol (Illustration 6).

Dans le sol, les apports en nitrates proviennent de la minéralisation et de la libération de nitrates par les résidus végétaux. Les pertes en nitrates sont induites par les besoins de la plante qui ne peut prélever plus de nitrates que la quantité présente dans le sol.

Le bilan de l’azote est simplifié en ne prenant pas en compte la dénitrification, la volatilisation, les apports météoritiques et les fixations par les argiles, symbiotiques et non symbiotiques. Dans le cycle de l’azote modélisé par BICHE, la minéralisation-réorganisation est également simplifiée.

Le calcul est divisé en deux parties : la fonction production et la fonction transfert. Dans le premier réservoir, la fonction production permet de connaître :

les apports et consommation d’eau,

les apports et consommation de nitrates dans la phase mobile,

les mélanges entre l’eau mobile et l’eau liée,

et l’infiltration dans le second réservoir de la zone non-saturée.

La fonction transfert calcule la quantité et le moment où l’eau et les nitrates atteignent la nappe ou l’exutoire.

Pluie ETP (Evapotranspiration

potentielle)

SOL

ZONE NON SATUREE

ZONE SATUREE

Pluie efficace

Recharge

Ruissellement (Ecoulement rapide)

Vidange de la nappe (Ecoulement retardé)

Ecoulement total du cours d’eau

Débit

Temps

Niveau piézométrique

Temps

Réservoir T

Réservoir H

Réservoir G1



Illustration 6 : Représentation schématique du cycle hydrologique (bleu) et chimique (orange) modélisé par BICHE (Gourcy et al., 2011, d’après Thiéry, 1990)


Les données d’entrée du modèle sont les suivantes :

les précipitations,

l’évapotranspiration potentielle,

l’application de nitrates par fertilisation,

la consommation par les plantes,

la minéralisation du sol,

et la libération des nitrates par les résidus culturaux.

Bien qu'il existe une analogie conceptuelle entre les réservoirs et les « unités fonctionnelles », en particulier le sol, la zone non saturée, la/les nappe(s) qui peuvent correspondre chacun à un réservoir, il n'y a pas de paramétrisation préétablie des paramètres hydrologiques. En raison du caractère global de cette schématisation et de la complexité du système hydrologique réel, ces paramètres (Illustration 7) ne peuvent être déduits a priori des caractéristiques physiographiques ponctuelles du bassin versant (géologie, couverture végétale, etc.). Ils doivent donc être évalués par ajustement (calage) sur une série d'observations [Surdyk et al. (2011)].

Le calage est réalisé en deux temps [Gourcy et al. (2011)] :

dans un premier temps, un calage hydrologique est réalisé à partir des débits des cours d’eau et des niveaux piézométrique pour 8 paramètres (réserve superficielle maximale, temps de demi-tarissement, temps de demi-montée…),

Données hydrologiques

Données chimiques



dans un second temps le calage chimique à partir des chroniques de teneurs en nitrates pour 13 paramètres (capacité d’eau liée, temps de mélange…).

La méthodologie préconisée est d’effectuer ces calages successivement, mais ils peuvent être réalisés également simultanément avec la version 5.0 du modèle [Surdyk et al. (2011)].

Paramètres hydrologiques Paramètres chimiques

Réserve maximale en eau du premier

réservoir

Hauteur pour laquelle il y a répartition égale entre écoulement rapide et percolation dans

le second réservoir

Temps de demi-percolation du second réservoir

Temps de demi-montée du troisième réservoir

Temps de demi-montée du quatrième réservoir

Temps de demi-tarissement du troisième

réservoir

Temps de demi-tarissement du quatrième réservoir

Coefficient d’emmagasinement global équivalent

Niveau de base local

Quantité constante d’eau liée par réservoir

Constante de temps de mélange par réservoir

Capacité de dilution de l’engrais sous forme solide par la pluie

Illustration 7 : Liste des paramètres de BICHE (d’après Thiéry, 1990) – en gras, les paramètres obligatoires pour faire tourner le modèle

Des coefficients globaux (Illustration 8) permettent d’ajuster les données d’entrée lorsqu’elles ne sont pas totalement fiables. Le calage des paramètres peut également être géré automatiquement par BICHE. L’utilisateur peut le contrôler en bornant les valeurs entre lesquels le paramètre est calculé. Ainsi, l’utilisation de BICHE est rapide et facilitée grâce à un nombre de paramètres réduits et à une automatisation du calage. Toutefois, l’utilisateur doit prêter attention aux choix des bornes du calage automatique qui doivent rester cohérentes avec la réalité.



Coefficients globaux de correction des données hydrologiques

Coefficients globaux de correction des données du transport

Mauvaise représentativité de la pluviométrie pour des stations dispersées

Mauvaise représentativité de l’ETP pour des stations dispersées et en tenant compte de

facteurs culturaux

Correction de l’épandage des fertilisants

Correction des besoins des cultures

Correction de la minéralisation globale du sol

Illustration 8 : Liste des coefficients globaux de correction des données de BICHE [d’après Thiéry (1990)]

2.2.3. Applications

L’échelle d’application du modèle est celle du bassin versant, de quelques kilomètres carré à plusieurs dizaines de kilomètres carré. Les hypothèses de simplification de la production de nitrates sont justifiées à cette échelle [Seguin (1988)].

L’utilisation de BICHE pour la gestion prédictive de scénario a été testée dès 1988 [Seguin (1988)]. BICHE est toujours utilisé dans cet optique [Gourcy et al. (2011) ; Surdyk et al. (2011)].

Le modèle hydrodynamique MARTHE est couplé à BICHE (couplage interne), aucun travail de traitement entre les données d’entrée et de sortie ou de programmation n’est donc nécessaire.

2.3. STICS

STICS2 est l’acronyme de Simulateur mulTIdisciplinaire pour les Cultures Standards. Il s’agit d’un modèle de fonctionnement des cultures qui a pour objectif de simuler l’impact des variations du milieu et du système de culture sur la production d’une parcelle et sur l’environnement (Brisson et al, 1998). En comparaison des modèles BICHE et AGRIFLUX, STICS intègre donc une dimension agronomique (rendement) et pédologique (évolution des caractéristiques du sol) complémentaires à la dimension environnementale (perte en eau et en nitrates). Il est Développé en FORTRAN par l’INRA [Brisson et al. (1998].


STICS simule le fonctionnement d’un sol et d’une culture entre une limite supérieure représentée par l’atmosphère et une limite inférieure représentée par l’interface sol/roche. Le sol est ici considéré comme une succession d’horizons aux propriétés hydro-physico-chimiques homogènes. STICS modélise au pas de temps journalier.

Son fonctionnement modulaire permet de simuler trois types de domaine (Illustration 9) :

l’écophysiologie des parties aériennes de la plante (vert) par les modules

Développement, Croissance aérienne et Elaboration du rendement,

les interactions entre les techniques culturales et le système sol-culture (rouge),

2 L’exécutable peut être téléchargé sur le site internet officiel STICS (http://www.avignon.inra.fr/agroclim_stics/modele_stics) d’Agroclim (Unité bioclimatique de l’INRA d’Avignon), ainsi que des notices d’utilisation de la version 5.0 (fonctionnement, entrées et sorties…) et des utilitaires.



et les interactions entre le sol et les parties souterraines de la plante (marron) par les

modules Croissance racinaire, Bilan hydrique, Bilan azoté et Transferts eau, nitrates,

chaleur.

Illustration 9 : Modules de STICS [INRA (2002a)]

Des options sont disponibles comme l’interception de la pluie par les feuilles, la fixation symbiotique des légumineuses, le paillage…

Les différentes formes de l’azote intégrées à STICS sont les suivantes [Gomez (2002)] (Illustration 10) :

la matière organique humifié,

les résidus de cultures,

les amendements organiques,

la biomasse microbienne,

et les nitrates.

La minéralisation (ou ammonification) peut provenir de deux sources : d’une part l’humus et d’autre part les résidus et les amendements. La phase d’organisation de l’azote est représentée comme une première étape de minéralisation négative des résidus, qui précède la phase de reminéralisation de l’azote microbien issus des résidus et également du sol.

La nitrification génère des apports en nitrates. La minéralisation et la nitrification sont prises en compte comme des processus successifs et non dissociés pour la génération de nitrates. Une option « nitrification » permet de simuler séparément l’ammonium et les nitrates pour des conditions spécifiques comme les sols acides, hydromorphes… où la nitrification est plus lente et donc la quantité de nitrates lessivés plus faible.

Les pertes d’azote sont issues de l’absorption racinaire en fonction de l’offre du sol et du besoin de la culture.

Deux autres processus mettant en jeu l’azote sont également simulés : la volatilisation de l’azote minéral des résidus organique et la dénitrification (perte gazeuse).

Azote organique

Azote minéral



Tournebize et al, 2004 décrivent les mécanismes de transferts d’eau et de nitrates dans STICS de la façon suivante :

« STICS simule les transferts d’eau en utilisant le concept agronomique de capacité au champ. Le sol comporte 2 classes de porosité gérées différemment :

1. la microporosité, liée à l’assemblage textural des particules de terre fine, est gérée par couches élémentaires d’un centimètre d’épaisseur ;

2. la macroporosité, liée à la porosité structurale ou biologique, est décrite à l’échelle de l’horizon.

Le transfert de l’eau dans la microporosité du sol est calculé pour chaque couche élémentaire en utilisant une analogie de type réservoir : les apports d’eau remplissent les couches en cascade sachant que la limite supérieure de chaque réservoir élémentaire correspond à la capacité au champ de la couche. Au niveau de chaque discontinuité pédologique (horizon) est défini un paramètre d’infiltrabilité journalier (mm/j), apparenté à la conductivité verticale du sol, qui détermine la quantité d’eau maximale susceptible de passer d’un horizon à l’autre et qui correspond à l’eau excédentaire totale issue des couches élémentaires constituant un horizon. La circulation descendante se fait alors par débordement d’un compartiment de macroporosité au suivant, donc d’un horizon à l’autre. L’azote lessivé migre ainsi d’une couche à l’autre et peut sortir du système (pertes par infiltrations profondes). »

STICS prend en compte des échelles différentes pour les résultats du modèle (pas de temps journalier, découpage du sol au cm pour certains calculs…) et pour la résolution des processus (grande phase du cycle, description de seulement 5 horizons homogènes de sol maximum…).

Illustration 10 : Représentation schématique du cycle de l’azote modélisé par STICS [Gomez (2002) d’après Schnebelen (2000) et Brisson et al, (1998)]




Quatre types de données sont entrés dans le modèle avec différents paramètres (Illustration 11) :

le sol

le climat

les itinéraires agricoles

les cultures

Chaque culture est représentée par une série de paramètres qui ont été calibrés au cours de phases d’expertises et testées. La validité de ces différents paramètres est distinguée selon 3 stades : « prototype », « à consolider » et « validation ». Les cultures que STICS prend en compte sont les suivantes : banane, betterave, blé dur, blé tendre, canne, moutarde, ivraie, fraise, colza, maïs, orge, orge en culture associée, patate, pois, pois en culture associé, prairie, salade, soja, sol nu, sorgho, tomate et tournesol.

Pour modéliser la croissance d’une nouvelle plante, les valeurs des paramètres sont déterminées :

à partir de données expérimentales (par exemple, la somme de température

nécessaire à la germination) qui peuvent être obtenues auprès des chambres

d’agriculture ou de l’INRA,

par analogie avec d’autres espèces,

par ajustement des paramètres entre les variables simulées et les variables

mesurées.



Infiltrabilité à la base de chaque horizon (mm/j)

Option de création d'un compartiment supplémentaire dans le bilan hydrique pour

Ammonium Concentration minimale du sol en NH4 (kgN/ha.mm)

Volatilisation pH

Teneur volumique en cailloux des horizons (%)

Type de cailloux (calcaire B1, calcaires B2, calcaire L, caillasses L, graviers m, silex,

granits a, calcaires J, autres1, autres2)

Remontées capillaires (mm/j)

humidité minimale pour activation des remontées capilaires (geau/gsol)

Profondeur de l'imperméable (cm)

Ecartement entre les drains (cm)

Conductivité hydraulique à saturation pour le transport de l'eau vers les drains

Profondeur des drains (cm)

Apport en profondeur dans le sol Profondeur d'apport des engrais (cm)

Indice de stress azoté en-dessous duquel on déclenche une fertilisation N en

mode automatique

Quantité maximale de fertilisation azoté autorisée à chaque pas de temps

Nom du type de résidus restitué au sol après la récolte (pour la culture suivante)

Orientation des rangs (rd)

Largeur de l'interrang (m)

Jour julien du stade AMF (accélération maximale de croissance foliaire, fin de

phase juvénile)

Jour julien du stage DRP (début de remplissage des grains)

Jour julien du stade floraison

Jour julien du stade LAN (indice foliaire nul)

Jour julien du stade LAX (indice foliaire maximal)

Jour julien du stade LEV (levée)

Jour julien du stade MAT (maturité physiologique)

Jour julien du stade REC (récolte)

Jour julien du stade SEN (début de sénescence)

Jour julien de récolte butoire (si la plante n'a pas fini son cycle à cette date, la

Cueillette Cadence de récoltes (j-1)

Concentration minimale en azote des grains pour récolte (0-1)

Teneur en eau minimale des fruits à la récolte (geau/gMF)

Teneur en eau maximale des fruits à la récolte (geau/gMF)

Teneur en huile minimale à la récolte (ghuile/gMF)

Teneur en sucre minimale à la récolte (gsucre/gMF)

Albédo du mulch végétal ou du paillage plastique

Proportion de sol couvert par le paillage

Quantité d'engrais azoté apporté à chaque coupe (kgN/ha)

Hauteur de coupe pour les cultures fourragères (m) pour des calendriers imposés

ou calculés

Jour julien de chaque fauche

Indice foliaire résiduel après chaque fauche (mfeuilles2/msol2)

Matière sèche résiduel après chaque fauche (t/ha)

Stade de coupe automatique

Somme de températures entre deux coupes (°C.j)

Quantité de mulch initial

Jour d'apport du mulch

Type de mulch (cannes de maïs, autre)

Quantité maximale d'eau d'irrigation autorisée à chaque pas de temps (mm/j)

Indice de stress hydrique en-dessous duquel on déclenche une irrigation (0-1)

Irrigation en profondeur dans le

solProfondeur d'apport de l'eau d'irrigation (cm)

Climat

Cailloux

Remontées capillaires

Drains

Température minimale journalière ou décadaire (°C)

Température maximale journalière ou décadaire (°C)

Rayonnement journalier (MJ/m2.j) ou décadaire (MJ/m2.d)

ETP journalier (mm/j) ou décadaire (mm/d)

Pluie journalière (mm/j) ou décadaire (mm/d))

Sol Macroporosité

Humidité à la capacité au champ de la terre fine des horizons (g/g)

Humidité minimale exploitable par la plante de la terre fine des horizons (g/g)

Densité apparente de la terre fine des horizons

Entrées/paramètres

Epaisseur des horizons

Teneur en argile de la couche de surface (%)

Teneur en azote organique dans l'horizon d'humification (% pondéral)

Teneur en calcaire dans la couche de surface (%)

Albédo du sol nu à l'état sec

Limite d'évaporation de la phase potentielle d'évaporation du sol (mm)

Profondeur équivalente d'humification (cm) entre la profondeur de labour et 60 cm

Fraction de la pluie ruisselée par rapport à la pluie totale en conditions de sol nu (0-1)

Obstacle à l'enracinement

Irrigation Calcul automatique des

irrigations

Fertilisation

Calcul automatique des

fertilisations

RécolteOption de récolte

Travail du sol et

apports de résidus

organiques

Semis

Structure de la plantation

(si transfert radiatif)

StadesForçage

(si les stade sont observés)

Type d'engrais (sulphate d'ammonium, nitrates d'ammmonium, nitrates d'ammonium et calcium, ammoniac

anhydre, urée, di-ammonium-phosphate, solution ou autres)

Coefficient d'efficacité de l'irrigation (0-1)

Profondeur de travail et/ou d'incorporation des résidus organiques apportés au sol (cm)

Quantité de résidus de culture ou d 'amendements organiques apporté au sol, soit la matière fraîche (tMF/ha)

Densité de semis (plantes/m2)

Profondeur de mesure de la réserve en eau du sol (cm)

Quantitté d'eau apportée chaque jours julien (mm)

Concentration en azote minéral de l'eau d'irrigation (kgN/mm)

Quantité de N minéral apportée chaque jour (kgN/ha)

Coefficient d'efficacité des engrais azotés (0-1)

Numéro du groupe variétal

Jour julien de la date de semis ou de plantation

Profondeur de semis (cm)

Proportion de carbone dans les résidus

Rapport C/N des résidus de culture ou amendements organiques (g/g)

Teneur en eau des résidus organiques (% de matière fraîche)

Jour julien de travail du sol et/ou d'apport de résidus organiques

Teneur en N minéral des résidus organiques (% de matière fraîche)

Profondeur minimale d'incorporation des résidus (cm)

Type de résidus (culture, CI, fumier, compost OM, boue SE, vinasse, corne ou autre)

Fichier travail

(définition des

conditions

initiales)

Indice foliaire initial (m2/m2)

Biomasse initiale (t/ha)

Profondeur du front racinaire initiale (cm)

Biomasse initiale des grains (g/m2)

Quantité d'azote initiale dans la plante (kg/ha)

Stade cultural pris en compte au demarrage de la simulation

Humidités initiales des 5 horizons de sol pour la terre fine (% pondéral)

Quantités d'azote minéral initiales des 5 horizons de sol por la terre fine (kg/ha)

Quantité d'azote nitrique à l'initialisation (kgN/ha)

Densités racinaires initiales pour les 5 horizons (cm/cm3)

Techniques

particulières

Paillage plastique

Culture fauchée

Paillage végétal



Illustration 11 : Entrées de STICS [INRA (2002b)] en gris : les paramètres optionels

Les sorties de STICS concernent les dates de floraison et de maturité, le rendement et ses composantes, la biomasse des parties aériennes, la quantité d’azote dans la plante et dans les organes récoltés, et dans la partie qui intéresse ce projet : l’évolution des quantités d’eau et d’azote dans le sol pendant les périodes de culture et d’inter-culture [Brisson (2002a)].

2.3.3. Applications

La communauté d’utilisateurs de STICS est relativement développée avec de très nombreuses publications (plus de 150), une réunion tous les 2 ans, un site internet officiel dédié... Des partenaires de l’INRA (comme des Instituts Techniques, l’IRSTEA, le CIRAD…) l’ont déjà utilisé en tant qu’outil de modélisation principal ou complémentaire.

Infiltrabilité à la base de chaque horizon (mm/j)

Option de création d'un compartiment supplémentaire dans le bilan hydrique pour

Ammonium Concentration minimale du sol en NH4 (kgN/ha.mm)

Volatilisation pH

Teneur volumique en cailloux des horizons (%)

Type de cailloux (calcaire B1, calcaires B2, calcaire L, caillasses L, graviers m, silex,

granits a, calcaires J, autres1, autres2)

Remontées capillaires (mm/j)

humidité minimale pour activation des remontées capilaires (geau/gsol)

Profondeur de l'imperméable (cm)

Ecartement entre les drains (cm)

Conductivité hydraulique à saturation pour le transport de l'eau vers les drains

Profondeur des drains (cm)

Apport en profondeur dans le sol Profondeur d'apport des engrais (cm)

Indice de stress azoté en-dessous duquel on déclenche une fertilisation N en

mode automatique

Quantité maximale de fertilisation azoté autorisée à chaque pas de temps

Nom du type de résidus restitué au sol après la récolte (pour la culture suivante)

Orientation des rangs (rd)

Largeur de l'interrang (m)

Jour julien du stade AMF (accélération maximale de croissance foliaire, fin de

phase juvénile)

Jour julien du stage DRP (début de remplissage des grains)

Jour julien du stade floraison

Jour julien du stade LAN (indice foliaire nul)

Jour julien du stade LAX (indice foliaire maximal)

Jour julien du stade LEV (levée)

Jour julien du stade MAT (maturité physiologique)

Jour julien du stade REC (récolte)

Jour julien du stade SEN (début de sénescence)

Jour julien de récolte butoire (si la plante n'a pas fini son cycle à cette date, la

Cueillette Cadence de récoltes (j-1)

Concentration minimale en azote des grains pour récolte (0-1)

Teneur en eau minimale des fruits à la récolte (geau/gMF)

Teneur en eau maximale des fruits à la récolte (geau/gMF)

Teneur en huile minimale à la récolte (ghuile/gMF)

Teneur en sucre minimale à la récolte (gsucre/gMF)

Albédo du mulch végétal ou du paillage plastique

Proportion de sol couvert par le paillage

Quantité d'engrais azoté apporté à chaque coupe (kgN/ha)

Hauteur de coupe pour les cultures fourragères (m) pour des calendriers imposés

ou calculés

Jour julien de chaque fauche

Indice foliaire résiduel après chaque fauche (mfeuilles2/msol2)

Matière sèche résiduel après chaque fauche (t/ha)

Stade de coupe automatique

Somme de températures entre deux coupes (°C.j)

Quantité de mulch initial

Jour d'apport du mulch

Type de mulch (cannes de maïs, autre)

Quantité maximale d'eau d'irrigation autorisée à chaque pas de temps (mm/j)

Indice de stress hydrique en-dessous duquel on déclenche une irrigation (0-1)

Irrigation en profondeur dans le

solProfondeur d'apport de l'eau d'irrigation (cm)

Climat

Cailloux

Remontées capillaires

Drains

Température minimale journalière ou décadaire (°C)

Température maximale journalière ou décadaire (°C)

Rayonnement journalier (MJ/m2.j) ou décadaire (MJ/m2.d)

ETP journalier (mm/j) ou décadaire (mm/d)

Pluie journalière (mm/j) ou décadaire (mm/d))

Sol Macroporosité

Humidité à la capacité au champ de la terre fine (g/g)

Humidité minimale exploitable par la plante de la terre fine (g/g)

Densité apparente de la terre fine

Entrées/paramètres

Epaisseur

Teneur en argile de la couche de surface (%)

Teneur en azote organique dans l'horizon d'humification (% pondéral)

Teneur en calcaire dans la couche de surface (%)

Albédo du sol nu à l'état sec

Limite d'évaporation de la phase potentielle d'évaporation du sol (mm)

Profondeur équivalente d'humification (cm) entre la profondeur de labour et 60 cm

Fraction de la pluie ruisselée par rapport à la pluie totale en conditions de sol nu (0-1)

Obstacle à l'enracinement

Irrigation Calcul automatique des

irrigations

Fertilisation

Calcul automatique des

fertilisations

RécolteOption de récolte

Travail du sol et

apports de résidus

organiques

Semis

Structure de la plantation

(si transfert radiatif)

StadesForçage

(si les stade sont observés)

Type d'engrais (sulphate d'ammonium, nitrates d'ammmonium, nitrates d'ammonium et calcium, ammoniac

anhydre, urée, di-ammonium-phosphate, solution ou autres)

Coefficient d'efficacité de l'irrigation (0-1)

Profondeur de travail et/ou d'incorporation des résidus organiques apportés au sol (cm)

Quantité de résidus de culture ou d 'amendements organiques apporté au sol, soit la matière fraîche (tMF/ha)

Densité de semis (plantes/m2)

Profondeur de mesure de la réserve en eau du sol (cm)

Quantitté d'eau apportée chaque jours julien (mm)

Concentration en azote minéral de l'eau d'irrigation (kgN/mm)

Quantité de N minéral apportée chaque jour (kgN/ha)

Coefficient d'efficacité des engrais azotés (0-1)

Numéro du groupe variétal

Jour julien de la date de semis ou de plantation

Profondeur de semis (cm)

Proportion de carbone dans les résidus

Rapport C/N des résidus de culture ou amendements organiques (g/g)

Teneur en eau des résidus organiques (% de matière fraîche)

Jour julien de travail du sol et/ou d'apport de résidus organiques

Teneur en N minéral des résidus organiques (% de matière fraîche)

Profondeur minimale d'incorporation des résidus (cm)

Type de résidus (culture, CI, fumier, compost OM, boue SE, vinasse, corne ou autre)

R

em

plir

par

ho

rizo

ns

Fichier travail

(définition des

conditions

initiales)

Indice foliaire initial (m2/m2)

Biomasse initiale (t/ha)

Profondeur du front racinaire initiale (cm)

Biomasse initiale des grains (g/m2)

Quantité d'azote initiale dans la plante (kg/ha)

Stade cultural pris en compte au demarrage de la simulation

Humidités initiales des 5 horizons de sol pour la terre fine (% pondéral)

Quantités d'azote minéral initiales des 5 horizons de sol por la terre fine (kg/ha)

Quantité d'azote nitrique à l'initialisation (kgN/ha)

Densités racinaires initiales pour les 5 horizons (cm/cm3)

Techniques

particulières

Paillage plastique

Culture fauchée

Paillage végétal



Ce modèle de transfert de flux a été conçu comme un outil opérationnel en condition agricole [Brisson et al. (1998)].

Le modèle STICS est utilisé à une échelle parcellaire. Développé par l’INRA de Rennes, le modèle TNT2 est une version distribuée de STICS pour les petits bassins, issu d’un couplage avec un modèle hydrologique TNT.

STICS a également été couplé avec :

NEWSAM (simulation du transport diffus) et MODCOU (modèle hydrogéologique)

pour le bassin de la Marne [Gomez (2002)],

NEWSAM (simulation du transport diffus), RESPUR (bilan hydrique), NONSAT (zone

non saturée non racinaire) et PROSE (hydraulique et biogéochimie en rivière) dans

une chaîne de modélisation pour le bassin du Grand Morin [Flipo (2005)].

2.4. SWAT

Développé à l’USDA - Agricultural Research Service [(Arnold et al. (1993)] SWAT3 (Soil and Water Assessment Tool) est un modèle physique semi-distribué qui estime les flux d’eau, de nutriments, de pesticides et de sédiments dans la zone racinaire, dans la nappe ou dans les cours d’eau [Bioteau et al. (2002)] Il permet ainsi de de prédire les impacts des pratiques de gestion du sol [Neitsch et al. (2005)], comme les scénarii de pratiques agricoles. Il est codé essentiellement en FORTRAN [Aquapôle (2008)].


SWAT, modèle semi-distribué, autorise la discrétisation d’un territoire en zones géométriques dépendantes de la topographie : les sous-bassins. Les connexions entre les sous-bassins se font par les exutoires. L’unité de base du calcul est la HRU (Unité de Réponse Homogène) défini par le croisement d’un type de sol, d’une occupation du sol et d’un sous bassin versant (Erreur ! Source du renvoi introuvable.). Chaque HRU présente un comportement agro-hydrologique homogène. Les sorties calculées par HRU sont ensuite globalisées à l’échelle du sous-bassin. Le pas de temps de calcul est journalier.

3 l’exécutable et les codes sources sont disponibles gratuitement sur internet (http://swat.tamu.edu/), ainsi que sa notice d’utilisation très complète (fonctionnement de SWAT, équations utilisées pour simuler différents processus physiques…)



Illustration 12 : Création des HRU (diagramme fourni par IRSTEA)

SWAT simule les processus bio-physico-chimiques (flux d’eau, croissance de la plante, cycle de l’azote…) et utilise les informations suivantes afin de relier les entrées et les sorties du modèle : conditions climatiques, propriétés du sol, topographie, végétation et pratiques de gestion du sol.

SWAT reproduit le cycle de l’eau de façon simplifiée à l’échelle du bassin versant. Les compartiments « sol », « cours d’eau » et « aquifère » sont le siège d’écoulement et communiquent entre eux. De façon simplifiée, SWAT modélise le cycle hydrologique suivant deux phases :

l’étape ‘terrienne’ du cycle hydrologique simule le ruissellement, l’infiltration, l’évapotranspiration et l’exportation d’eau vers les rivières,

l’étape du transport de soluté au sein du réseau hydrographique (flux de surface) : flux d’eau, de sédiments, de nutriments et de matière organique.



Illustration 13 : Compartiments pris en compte dans SWAT [d’après Duros, 2001]

Les processus de transfert de flux intra ou inter-modules (Illustration 14) sont décrits, pour certains, par des équations à base physique et pour d’autres par des fonctions de transfert.

Illustration 14 : Processus et transferts pris en compte dans le bilan hydrologique de SWAT (adapté par Bioteau (2002) sur la base de Neitsch et al. (2005)



Le cycle de l’azote est modélisé à l’aide de 5 réservoirs (Illustration 15) :

l’azote « frais »

l’azote stable

l’azote actif

les nitrates

l’ammonium

L’azote « frais » provient des résidus de plantes et de la biomasse bactérienne, tandis que l’azote « actif » est une substance humique issue de la fertilisation. La quantité d’azote organique « stable » augmente par la transformation de l’azote frais et actif et diminue par conversion en azote actif.

Les nitrates sont obtenus par minéralisation de l’azote frais et actif, par nitrification de l’ammonium et par la fertilisation inorganique. Leur quantité est diminuée par dénitrification et consommation de la plante.

L’ammonium est produit par la fertilisation inorganique également et éliminé par nitrification et volatilisation.

Illustration 15 : Représentation schématique des réservoirs d’azote et de leur relation [Neitsch et al. (2005)]

D’autres phénomènes peuvent être pris en compte :

la lixiviation et le flux de nitrates entrant dans la nappe,

le transport des nitrates (ruissellement, écoulement latéral et percolation),

la transformation de l’azote gazeux en acide nitrique dans la pluie,

la fixation de l’azote par les bactéries directement dans les plantes, sans passer par

le sol,

et l’évaporation de l’eau dans le sol.

Compartiment de l’azote organique

Compartiment de l’azote minéral



Par ailleurs, les quantités initiales de nitrates dans chaque horizon du sol doivent être renseignées par l’utilisateur ou estimées directement par SWAT.


Les données d’entrée nécessaires à la modélisation sont les suivantes :

MNT (Modèle Numérique de Terrain)

Sols (base de données avec texture : teneur en argile, teneur en matière organique)

Occupation du sol

Pratiques agricoles (semailles, moissons, récoltes, fertilisation, irrigation…)

Sources ponctuelles de nitrates

Climat (précipitations, températures…)

De nombreuses informations sont nécessaires pour simuler d’une façon aussi réaliste que possible les nombreux processus bio-physico-chimiques. Une compilation de ces différents paramètres est intégrée à SWAT pour le sol, les plantes, la fertilisation, le travail du sol mais est adaptée aux pratiques agricoles et aux sols des Etats-Unis. Ainsi, afin de travailler sur la France, un travail important d’ajustement et d’adaptation de ces paramètres doit être préalablement réalisé.

Le tableau suivant résume les entrées et paramètres minimaux requis pour lancer une simulation avec des pluies mesurées, le cycle de l’azote, une fertilisation spécifiée par un utilisateur (Illustration 16).



Variable Définition Si pas de valeur Unité Recquis ?

IDIST distribution de la pluie journalière x

REXP coefficient de la courbe exponentielle de distribution de la pluie journalière 1.3 selon IDIST

IEVENT Choix de précipitations/ruissellement/routage x

ISED_DETChoix du mode de calcul de la valeur de la pluie maximum journalière pour

une demi-heurex

xmm x

MAX TEMP Température maximum journalière °C xMIN TEMP Température minimum journalière °C xSOL_RAD Rayonnement solaire journalier total MJ/m² xSUB_LAT Latitude du sous-bassin ° x

RHD Humidité relative journalière moyenne fraction xWND_SP Vitesse du vent journalière moyenne m/s x

IPET Methode (Pristley-Taylor, Penmann/Monteith, Hargreaves, mesures) xESCO Facteur de compensation de l'évaporation du sol 0.95 xEPCO Facteur de compensation de la consommation de la plante 1 x

PET_MEAS Evapotranspiration journalière dans le bassin versant mm(H2O) xSUB_ELEV Elevation du sous-bassin m xCANMX Stockage maximum de la canopée mm(H2O) xSOL_ALB Albédo du sol humide x

GW_REVAP Coefficient de réévaporation de la nappe x

REVAPMNProfondeur seuil de l'eau de la nappe peu profonde pour laquelle la

réévaporation ou la percolation de l'aquifère profond se produitmm(H2O) x

ICN Methode de calcul du nombre de courbe xCNCOEF Coefficient du nombre de courbe de l'évapotranspiration de la plante 1 Selon ICN

SURLAG Coefficient de retard du ruissellement de surface 4 x

CN2Nombre de courbe du ruissellement SCS initial pour une condition

d'humidité IIx

URBCN2Nombre de courbe pour des conditions d'humidité II dans une zone

imperméable du type des terrains urbainsx

CH_L(1) Longueur du plus long chenal affluent km xCH_S(1) Pente moyenne des chenaux affluents m/m xCH_N(1) Coefficient de Manning (n) pour les chenaux affluents x

SLSUBBSN Longueur moyenne de pente m x

OV_N Coefficient de Manning (n) pour les écoulements de surface (ruissellement)

CH_W(1) Largeur moyenne des chenaux affluents m x

CH_K(1) Conductivité hydraulique effective dans les alluvions de chenaux affluents mm/h x

FFCBStock d'eau initial du sol exprimé comme une fraction de la teneur en eau de

la capacité au champequations x

SOL_Z Profondeur de la limite inférieure de la couche du sol depuis la surface mm xSOL_BD Densité apparente humide pour chaque couche du sol mg/m3 ou gm/cm3 x

SOL_AWC Capacité en eau disponible pour chaque couche du sol mm(H2O)/mm(sol) xSOL_K Conductivité hydraulique pour chaque couche du sol mm/h x

HRU_SLP Escarpement moyen de la pente m/m xLAT_TTIME Temps de déplacement de l'écoulement latéral j x

SLSOIL Longueur de pente pour l'écoulement latéral de subsurface m xSHALLST Profondeur initiale de l'eau dans l'aquifère superficiel mm(H20) ?DEEPST Profondeur initiale de l'eau dans l'aquifère profond 1000 mm(H20) ?

GW_DELAY Temps de retard depuis le bas du profil du sol vers l'aquifère superficiel j xALPHA_BF Facteur du débit de base 0.048 j x

GWQMNSeuil de profondeur de la nappe superficielle pour obtenir un retour de flux

(par rapport au chenal)mm(H20) x


REVAPMNSeuil de profondeur de la nappe superficielle pour obtenir de la

réévaporation ou de la percolationmm(H20) x

RCHRG_DP Fraction de percolation vers l'aquifère profond xRCN Concentration de nitrate dans la pluie 1 mg/l x

CMNFacteur vitesse de minéralisation de l'humus pour la forme organique active

des nitrates0.0003 x

CDN Coefficient de vitesse exponentielle de dénitrification 1.4 x

SDNCOTeneur en eau du seuil de dénitrification (ou fraction de la teneur en eau de

la capacité au champ à partir de laquelle commence la dénitrification)1.1 x

N_UPDIS Paramètre de distribution de la consommation de la plante 20 xNPERCO Coefficient de percolation des nitrates 0.2 xRSDCO Coefficient de décomposition des résidus 0.05 x

SOL_CBN Teneur en carbone organique % du poids du sol x

ERORGNProportion d 'enrichissement en azote organique transporté avec les

sédiments

calculé par

SWAT (option

par défaut)

x

SOL_ZMX Profondeur maximum d'enracinement dans le profil du solprofondeur du

profilm x

PHU_PLT/HEAT UNITSNombre total d'unités de chaleur ou degré-jour de croissance nécessaire

pour amener la plante à maturitéSi IGRO = 1

IDC Classification des plantes/occupations du sol

BIO_E Efficacité de l'utilisation des rayonnements ou le ratio énergie-biomase (kg/ha )/(MJ/m²) x

HVSTI Indice de récolte pour les conditions de croissance optimales

BLAI Indice de l'aire potentiel maximum des feuilles x

FRGRW1

Fraction de la saison de croissance de la plante ou fraction des unités de

chaleur totales correspondant au premier point de la courbe de

développement de l'aire des feuilles optimale

x

LAIMX1Fraction de l'indice d'aire maximum des feuilles correspondant au premier

point de la courbe de développement de l'aire des feuilles optimalex

FRGRW2


chaleur totales correspondant au second point de la courbe de


x

LAIMX2Fraction de l'indice d'aire maximum des feuilles correspondant au second


DLAIFraction de la saison de croissance quand l'aire des feuilles commence à

diminuerx

CHTMX Hauteur maximale de la canopée m xRDMX Profondeur maximale des racines m xT_OPT Température optimale pour la croissance des plantes °C xT_BASE Température minimum pour la croissance des plantes °C xCNYLD Fraction normale d'azote dans le rendement kg(N)/kg(rendement) x

PLTNFR(1) Fraction normale d'azote dans la biomasse végétale à l'émergence kg(N)/kg(biomasse) xPLTNFR(2) Fraction normale d'azote dans la biomasse végétale à 50% de maturité kg(N)/kg(biomasse) xPLTNFR(3) Fraction normale d'azote dans la biomasse végétale à maturité kg(N)/kg(biomasse) x

WSYF Limite inférieure de l'indice de récolte (kg/ha)/(kg/ha) x

GSIConductance stomatique maximale à un haut rayonnement solaire et un

déficit de pression de vapeur faible m/s x

VPDFRDéficit de pression de vapeur correspondant au second point sur la courbe

de conductance stomatiquex

FRGMAXFraction de la conductance stomatique maximale correspondant au second

point sur la courbe de conductance stomatiquex

WAVPTaux de réduction dans l'efficacité de l'utilisation des rayonnements par

unité d'augmentation pour un déficit de pression de vapeurx

CO2HIConcentration atmosphérique en CO2 élevée correspondant au second point

de la courbe d'efficacité d'utilisation des rayonnementsµL(CO2)/L(air) x

BIOEHIRatio biomasse-énergie correspondant au second point de la courbe

d'efficacité d'utilisation des rayonnementsx

ALAI_MINIndice de l'aire des feuilles minimum pour la plante durant la période de

dormancem²/m² x

RSDIN Couverture de résidus initiale kg/ha -RSDCO Coefficient de décomposition des résidus 0.05 x

harvest and kill op

harvest operation

kill operation

RSDCO_PL Coefficient de décomposition des résidus de la plante xIGRO Code : sol cultivé ou non xNROT Nombre d'année de rotation x

PLANT_ID Numéro d'identification de l'occupation du sol xLAI_INIT Indice de l'aire des feuilles initial -BIO_INIT Biomasse de poids sec initial kg/ha -

PHU_PLTNombre total d'unités de chaleur ou degré-jour de croissance nécessaire

pour amener la plante à maturitéx

plant operation

HEAT UNITS Nombre total d'unités de chaleur pour que la plante atteigne la maturité x

PLANT_IDNuméro d'identification de l'occupation du sol/de la plante d'après la basse

de données de la croissance des plantesx

HI_TARG Objectif de l'indice de récolte (kg/ha)/(ka/ha) -BIO_TARG Objectif de biomasse (poids sec)

LAI_INIT Indice de l'aire des feuilles initial

BIO_INIT Biomasse de poids sec initial

harvest and kill operation

harvest operation

HI_OVR Indice de récolte prioritaire ? (kg/ha)/(ka/ha) -HARVEFF Efficacité de la récolte -

kill operation

grazing operation

BIO_EAT Poids sec de la biomasse consommée par jour kg/ha.j xGRZ_DAYS Nombre de jours consécutifs de pâturage xBIO_TRMP Poids sec de la biomasse piétinée par jour kg/ha.j -

BIOMIX Efficacité de mélange biologique -Date de la fertilisation x

Quantité de fertilisant apporté à la HRU kg(N)/ha xFMINN Fraction d'azote (nitrate et ammonium) dans le fertilisant kg(N)/kg(fertilisant) xFORGN Fraction d'azote organique dans le fertilisant kg(N)/kg(fertilisant) xFNH3N Fraction d'azote organique comme l'ammoniac dans le fertilisant kg(N)/kg(fertilisant) x

FERT_SURFACE Quantité de fertilisant appliquée au 10 premier mm du sol x

FERT_IDNuméro d'identification du fertilisant depuis la base de données des

fertilisantsx

FERT_KG Quantité de fertilisant appliquée à la HRU kg/ha x

tillage operation TILLAGE_ID Code d'exécution du labour depuis la base de données du labour xIRTE Méthode de routage de l'eau des chenaux

TRNSRCHFraction des pertes par transmission dans le chenal principal qui entre dans

l'aquifère profond0 x

EVRCH Facteur d'ajustement de réévaporation du tronçon (reach?) 1 x

MSK_CO1

Coefficient de calibration utilisé pour controler l'impact de la constance de

temps de stockage pour des écoulements lents sur sa valeur calculée pour le

tronçon (reach?)

MSK_CO2



tronçon (reach?)

MSK_XFacteur de pondération qui contrôle l'importance relative des flux d'entrée

et de sortie dans la détermination du stockage dans un tronçon (reach?)

CH_W(2) Largeur moyenne du chenal principal depuis le haut de la berge m xCH_D Profondeur moyenne du chenal principal depuis le haut de la berge m x

CH_S(2) Pente moyenne du chenal principal sur sa longueur m/m xCH_L(2) Longueur du chenal principale km xCH_N(2) Coefficient de Manning "n" pour le chenal principal xCH_K(2) Conductivité hydraulique effective dans les alluvions du chenal principal mm/h x

ALPHA_BNK Facteur alpha du débit de base pour le stockage des berges j xFLOW_OVN, route

command

IWQ Code de la qualité de l'eau "in-stream" 0 xAI1 Fraction d'azote dans la biomasse algale 0.08 xAI2 Fraction de phosphore dans la biomasse algale 0.015 xP_N Facteur de préférence algale pour l'ammoniac 0.5 x

RS2Taux d'origine de sédiment benthique pour dissoudre le phosphore dans le

tronçon à 20°C0.05 mg(dissolved P)/m².j x

RS3 Taux d'origine benthique pour l'ammonium dans le tronçon à 20°C 0.5 mg(NH4-N)/m².j xRS4 Coefficient de vitesse pour l'azote organique fixé dans le tronçon à 20°C 0.05 1/j xRS5 Vitesse de fixation du phosphore dans le tronçon à 20°C 0.05 1/j x

BC1Constante de vitesse de l'oxidation biologique de l'ammonium en nitrites

dans le tronçon à 20°C dans des bonnes conditions d'aération0.55 1/j x

BC2Constante de vitesse de l'oxidation biologique des nitrites en nitrates dans

le tronçon à 20°C dans des bonnes conditions d'aération0.55 1/j x

BC3Constante de vitesse de l'hydrolyse de l'azote organique en ammonium dans

le tronçon à 20°C0.21 1/j x

BC4Constante de vitesse de la minéralisation du phosphore organique pour

dissoudre le phosphore dans le tronçon à 20°C0.35 1/j x

Muskingum

method

Routage de l'eau

Routage de l'azote

Processus des

chenaux

fertilizer application

NitratesCycle des nitrates

Occupation du sol

Gestion

Ecoulement latéral

Nappe

Cycle hydrologique

Evapotranspiration

Ruissellement

Temps de

concentration

Eau du sol

Pertes de

transmission à partir

du ruissellement

HUSC : Fraction des unités de chaleur à zéro de base pour laquelle une

opération a lieu

Résidus

Croissance

Plantes

Localisation de la station de mesure de la pluie

PrécipitationsClimat

Pluie

Température

Autres








une demi-heurex

xmm x











d'humidité IIx





























sédiments

calculé par

SWAT (option

par défaut)

x


profilm x







FRGRW1




x



FRGRW2




x




diminuerx

















dormancem²/m² x


harvest and kill op

harvest operation

kill operation





plant operation








harvest operation


kill operation

grazing operation






fertilisantsx






MSK_CO1



tronçon (reach?)

MSK_CO2



tronçon (reach?)






command













Muskingum

method

Routage de l'eau

Routage de l'azote

Processus des

chenaux



Occupation du sol

Gestion

Ecoulement latéral

Nappe

Cycle hydrologique

Evapotranspiration

Ruissellement

Temps de

concentration

Eau du sol

Pertes de


du ruissellement


opération a lieu

Résidus

Croissance

Plantes



Pluie

Température

Autres



Illustration 16 : Entrées de SWAT (Neitsch et al., 2010)






une demi-heurex

xmm x











d'humidité IIx





























sédiments

calculé par

SWAT (option

par défaut)

x


profilm x







FRGRW1




x



FRGRW2




x




diminuerx

















dormancem²/m² x


harvest and kill op

harvest operation

kill operation





plant operation








harvest operation


kill operation

grazing operation






fertilisantsx






MSK_CO1



tronçon (reach?)

MSK_CO2



tronçon (reach?)






command













Muskingum

method

Routage de l'eau

Routage de l'azote

Processus des

chenaux



Occupation du sol

Gestion

Ecoulement latéral

Nappe

Cycle hydrologique

Evapotranspiration

Ruissellement

Temps de

concentration

Eau du sol

Pertes de


du ruissellement


opération a lieu

Résidus

Croissance

Plantes



Pluie

Température

Autres



Les résultats peuvent être présentés à un pas de temps supérieur au jour, mais ce sont des moyennes des valeurs journalières. Les résultats des simulations sont donnés selon plusieurs unités considérées :

par HRU,

par sous-bassin,

par chenal principal du réseau hydrographique dans le sous-bassin.

Pa ailleurs, bien que le calcul se fasse au pas de temps journalier, les données peuvent être agrégées à un pas de temps supérieur.

2.4.3. Applications

L’USDA (United States Departments of Agriculture) soutient le développement du modèle SWAT. Cet outil est souvent utilisé, notamment pour des problématiques de qualité d’eau. Il rassemble une importante communauté d’utilisateurs (forums, cours, conférences…). Différentes interfaces graphiques ont été développées afin de faciliter l’utilisation : notamment la version ArcSWAT (couplage avec ArcGIS) peut être téléchargée sur le site internet officiel de SWAT.

Conçu pour modéliser de grandes périodes et non pour un évènement détaillé, SWAT est particulièrement intéressant pour des études à l’échelle de grands bassins versants [Abbaspour et al. ( 2007) ; Bouraoui et al. (2008) ; Grizzetti et al. (2003) ; Pohlert et al. (2007) ; Santhi (2006)] ou concernant des bassins avec des pratiques de gestion du sol complexes [Neitsch et al. (2005)]. Il est également utilisé pour de petits bassins versants [Green et Van Griensven (2008)].

Enfin, SWAT a été couplé avec des codes de calculs hydrodynamiques comme Modflow [Sophocleus et al. (1999)] ; Nam Won Kim et al. (2008)] et Feeflow [Vandenberghe et al. (2012)].

2.5. TABLEAU RECAPITULATIF DES MODELES DE TRANSFERT DE FLUX

A partir des informations recueillies pendant la synthèse bibliographique, le tableau ci-dessous (Illustration 17) récapitule les renseignements importants dans une optique de couplage avec MARTHE. A noter que ces quatre modèles ont déjà été couplés avec un modèle hydrogéologique.



Nom du modèle

Type de modèle

Echelle spatiale

Discrétisation spatiale

Discrétisation temporelle

Nombre d'entrées

Gain en nitrates Perte en nitrates Intrant(s) pour

MARTHE

Agriflux mécaniste et stochastique

Profil de sol (parcelle agricole)

Horizons de sol

journalière plus de 50 - Nitrification de l'ammonium

- Fertilisation organique et inorganique

- Consommation par les plantes,

- Lixiviation - Dénitrification

LEN (kgN/ha) ou LCO (mgN/l)***

BICHE global à

réservoirs Bassin

versant Horizons de sol

journalier, pentadaire,

décadaire ou mensuelle

5 - Minéralisation

- Libération de nitrates par les résidus végétaux

- Consommation par les plantes

-Lixiviation ?

Déjà couplé à MARTHE

STICS dynamique de

culture

Profil de sol (parcelle agricole)

Horizons de sol journalière

environ 50

- Minéralisation et nitrification de l'humus, des amendements et des

résidus

- Consommation par les plantes (absorption

racinaire)

- Lixiviation ?

ConcNO3les (mg/)

SWAT mécaniste,

semi-distribué, à réservoirs

Bassin versant

sous-bassins, HRU

(spatialisation possible)

journalière

environ 150

- Minéralisation de l'humus et des résidus

- Nitrification de l'ammonium - Fertilisation inorganique

- Consommation par les plantes

- Dénitrification

- Lixiviation ?

N-NO3L (kgN/ha)

Illustration 17 : Tableau récapitulatif des modèles de transfert de flux

* : Occupation du sol, itinéraire technique et type de sol *** : Nitrates lixiviés en sortie du profil



3. Analyse du couplage externe SWAT/MARTHE

Dans le bassin Charente, IRSTEA travaille sur les pratiques culturales ainsi que sur le transfert des nitrates et phytosanitaires à l’aide du logiciel SWAT depuis plusieurs années (notamment dans le cadre du programme RESPIREAU [Deldrève et al. (2011)]). Ainsi, la base de données sur les pratiques culturales de SWAT a pu être adaptée au contexte local. Parallèlement, les deux modèles hydrodynamiques développés par BRGM sous MARTHE, couplant les nappes et les rivières et courant sur la quasi-totalité du bassin versant de la Charente, ont montré leur fiabilité en reproduisant assez fidèlement les chroniques mesurés sur le terrain (débit de rivière et niveau des piézomètres). La collaboration IRSTEA/BRGM apporte une complémentarité de compétences entre le domaine superficiel et agronomique d’un côté et le domaine souterrain de l’autre.

SWAT présente l’avantage de fonctionner à l’échelle de bassins versants et de sous bassins versants, échelle permettant d’utiliser des paramètres descriptifs macroscopiques plus en accord avec l’échelle des modèle hydrodynamiques maillés (maille du kilomètre carré) utilisés en Poitou-Charentes.

Dans un premier temps, la faisabilité du couplage entre le code de calcul MARTHE et celui de SWAT est appréhendée au travers d’un couplage externe, c’est-à-dire sans développement numérique, permettant l’utilisation couplée et simultanée des deux codes. Les étapes d’une simulation sont les suivantes :

1. Simulation et calage de SWAT (IRSTEA),

2. Traitement des sorties de SWAT pour les transformer en entrées MARTHE

(IRSTEA/BRGM),

3. Calage des chroniques dans MARTHE (BRGM).

3.1. LE LOGICIEL DE MODELISATION MARTHE

En hydrogéologie, le principe de la modélisation hydrodynamique consiste à résoudre numériquement les équations aux dérivées partielles de l’écoulement sur un secteur étudié. Il s’agit de déterminer la charge hydraulique (variable inconnue) sur les éléments d'un maillage en fonction du temps et à partir de paramètres hydrodynamiques (perméabilité, emmagasinement), de conditions aux limites et de conditions initiales.

Le code de calcul MARTHE (Modélisation d’Aquifères par un maillage Rectangulaire en régime Transitoire pour le calcul Hydrodynamique des Ecoulements), développé par le BRGM, utilise la méthode des volumes finis, et permet le calcul des écoulements de fluides et de transferts de masse et d’énergie en milieux poreux bidimensionnels (plan ou coupe verticale) et tridimensionnel [Thiéry D. (2006)]. Les schémas peuvent être simples ou complexes (zone saturée et/ou non saturée, écoulements multiphasiques, prise en compte de la densité du fluide, prise en compte de la végétation, interaction entre cours d'eau et nappes, etc.) en régime permanent ou transitoire. Il permet aussi de simuler des drains souterrains.

Les différentes fonctionnalités et leur mise en œuvre sont décrites par Thiéry D. (1990a et 1990b, 1993, 1994, 1995a et 1995b, 2004), Thiéry D. et Golaz C. (2002), Thiéry D. et al. (2002).

Le modèle tridimensionnel se présente sous la forme de grilles de calcul superposées avec un maillage parallélépipédique régulier ou irrégulier (Illustration 18). Les cellules sont



hydrauliquement connectées, le « motif de base » étant constitué par une cellule en relation avec les six mailles voisines (nord, sud, est, ouest, haut et bas). Dans chaque maille des valeurs sont entrées (cote des toits et des murs des couches, paramètres hydrodynamiques, conditions aux limites…) où sont calculées par le modèle. Les données calculées par le modèle (cartographie des écoulements, chroniques de niveaux d’eau, de nitrates) sont comparées aux données observées sur le terrain. Pour reproduire au mieux cette réalité, des paramètres (particulièrement les caractéristiques hydrodynamiques) du modèle doivent être réajustés, c’est la phase de calage. Une fois le calage satisfaisant, le modèle peut être utilisé pour faire des simulations à partir de différents scénarii.

Illustration 18 : Représentation spatiale d’un système multicouche sous MARTHE

Avant tout couplage, les problèmes à résoudre sont les suivants : - Identification de la variable commune entre SWAT et MARTHE pour le paramètre

« Nitrates » ; c'est-à-dire, recherche de la variable de sortie de SWAT pouvant être

utilisée en entrée du modèle hydrodynamique codé sous MARTHE.

- Spatialisation : comment passer de données de sorties par HRU (cf. ch. 2.4) de SWAT

à des données spatialisées par maille dans MARTHE.

3.2. VARIABLE « NITRATES » SWAT / MARTHE

Le modèle SWAT permet d’obtenir un nombre important de variables de sortie. Suite à l’analyse de ces différentes variables, celle retenue comme correspondant à l’entrée dans la nappe est « NO3L », soit la quantité d’azote issu des nitrates lessivés en sortie du profil de sol. L’unité de ce paramètre est le kg(N)/ha/j pour chaque HRU (toutefois SWAT permet de consolider les données au mois, pas de temps du modèle Jurassique). Dans MARTHE, les entrées azotés en nappe sont exprimées en flux massique, soit en quantité de nitrates par aire de maille (kilomètre carré dans le cas présent : soit en mg(NO3)/km²) (Illustration 19).

Surface de modélisation Mailles désactivées

Colonnes

Couches

1 2 3 4 5 6 8 9 10

1

2

3

4

5

1 2 3

4 5

6 8

9 1

0

Lignes



SWAT MARTHE (modèle Jurassique)

Unités kg(N)/ha mg(NO3)/aire(maille)

Discrétisation spatiale HRU maille

Discrétisation temporelle journalière mensuelle

Illustration 19 : Tableau de comparaison de la sortie de SWAT et de l'entrée de MARTHE

3.3. GEOSPATIALISATION DES HRU

Les paramètres d’intrants dans le logiciel MARTHE sont intégrés par maille et donc spatialisés, les sorties de SWAT par HRU telles que NO3L ne le sont pas. Une spatialisation des HRU est nécessaire. Elle peut être obtenue en croisant la carte de l’occupation du sol et la carte du type de sol (ce que fait automatiquement SWAT pour générer les HRU) sous un SIG. La difficulté ici réside dans la corrélation entre le numéro de HRU et les résultats du croisement de l’occupation du sol et du type de sol sous SIG. IRSTEA, ayant déjà été confronté à ce problème, dispose de cette information et a mis à disposition du BRGM une couche SIG des HRU spatialisés.

Une maille pouvant contenir une ou plusieurs HRU, la surface de chaque HRU dans chaque maille est calculée (l’aire d’une maille étant égale à la somme des aires des HRU présentes dans la maille). La quantité d’intrants dans une maille est déduite des quantités d’intrants par HRU pondérées par la superficie de chaque HRU dans la maille (Illustration 20). Ce traitement permet d’obtenir une chronique d’intrants, sous forme de flux massique au pas de temps journalier ou mensuel, pour chaque maille du modèle hydrodynamique.

Illustration 20 : Création de chroniques de nitrates par mailles

3.4. TRAITEMENT DES SORTIES DE SWAT

Les sorties de SWAT par HRU se présentent sous la forme d’un tableau comprenant les variables (NO3L par exemple) en colonne et les HRU et le pas de temps en ligne (Illustration 21). L’implémentation des données dans MARTHE nécessite de modifier la structure des fichiers SWAT afin d’obtenir un fichier simplifié de chroniques d’azote par HRU. (Illustration 21).

NO3(maille) = NO3(HRU1) x Aire(HRU1) + NO3(HRU2) x Aire(HRU2) + ...

Avec : NO3L(maille) la quantité d’intrants dans la maille considérée NO3L(HRU) la quantité d’intrants dans une HRU contenue dans la maille considérée Aire(HRU) l’aire d’une HRU dans la maille considérée



Illustration 21 : transformation du fichier SWAT pour intégration dans Marthe

Le croisement du fichier « chroniques d’azote par HRU » avec celui « Aire de chaque HRU par maille » permet d’obtenir la chronique d’azote à introduire dans chaque maille en entrée du modèle MARTHE.

L’ensemble des traitements relatif à l’Intégration de données issues de SWAT dans MARTHE est résumé sur l’Illustration 22.

Var.1 Var.2 …

1990

Janv.

HRU1

HRU2

…

Fév.

HRU1

HRU2

…

…

Somme annuelle

HRU1

HRU2 Var.1

… 1990 1991 …

1991

Janv.

HRU1 Janv. Fév. … Janv. Fév. …

HRU2 HRU1

… HRU2

Fév.

HRU1 HRU3

HRU2 …

…

…

Somme annuelle

HRU1

HRU2

…

…

Moyenne Total

Somme annuelle

HRU1

HRU2

…



Illustration 22 : des sorties Swat aux chroniques d’intrants pour Marthe

Maille

Dates

Chroniques des nitrates par mailles

…

…

…

…

… … … … … …

HRU

Dates

Chronique des nitrates par HRU

…

…

…

…

… … … … … …

HRU

Pas de temps 1

NO3L

Sortie de SWAT

…

…

…

…

… … … … … …

HRU

Pas de temps 2

… …

…

…

…

…

… … … … … …

Cartographie des HRU Cartographie des mailles

Maille

HRU

Aire des HRU par mailles

…

…

…

…

… … … … … …



4. Test de couplage sur un cas concret : le bassin versant de la Boutonne

Afin de sérier les difficultés inhérentes aux données d’entrée, au couplage SWAT-MARTHE et au calage des chroniques en nappe et en rivière, il a été décidé de conduire un test de simulation SWAT/MARTHE sur un sous-bassin de la Charente, celui de la Boutonne. Le choix de ce bassin se justifie par :

- Le raccourcissement du temps de réalisation d’un scénario cultural satisfaisant par rapport à la réalité et du calcul dans SWAT.

- La « simplicité », en termes géologique et hydrogéologique, du bassin moyen et aval de la Boutonne. Même si l’ensemble du bassin est pris en compte, la partie aval et moyenne correspond globalement à un système aquifère monocouche composé des formations du Jurassique supérieur altéré.

4.1. LE MODELE HYDRODYNAMIQUE DU JURASSIQUE : PRESENTATION SUCCINCTE

Le modèle du Jurassique, a été développé initialement dans le cadre du Contrat de Plan Etat-Région 2000-2006 sous Maîtrise d'Ouvrage de la Région Poitou-Charentes avec un partenariat entre l'Etat, la Région Poitou-Charentes et les Agences de l'Eau Adour-Garonne et Loire Bretagne (RP-55742-FR). En 2011, ce modèle a été complété, actualisé et re-calé (RP-58877-FR) et a été utilisé dans une approche d’aide à la gestion quantitative des ressources eau.

Découpée en mailles kilométriques, la zone modélisée s’étend de Châtellerault au Nord à Angoulême/Rochefort au Sud en incorporant les bassins versants au nord du Marais Poitevin (85) sur une superficie de 19 280 km2 (Illustration 23). Huit couches composent le modèle et retranscrivent les formations géologiques suivantes (présentées de la plus récente à la plus ancienne et en gras pour les formations aquifères) :

Couche n° 1 : Bri Marais

Couche n° 2 : Crétacé et altérites

Couche n° 3 : Jurassique supérieur altéré

Couche n° 4 : Jurassique supérieur non-altéré

Couche n° 5 : Dogger

Couche n° 6 : Toarcien

Couche n° 7 : Infra-Toarcien

Couche n° 8 : Socle

Des potentiels imposés ont été appliqués en « sortie » de modèle :

- Sur la limite ouest qui correspond au niveau imposé par l’Océan Atlantique. Cette limite se situe à quelques kilomètres de la ligne littorale dans l’Atlantique afin de réduire l’influence de ce potentiel constant sur la partie continentale du modèle hydrodynamique.

- Sur les bordures nord-est et sud-ouest du modèle régional, qui sont très éloignées des zones d’intérêt.



Les échanges nappes/rivières jouant un rôle important dans l’hydrodynamique régionale, les principaux cours d’eau ont été intégrés dans le modèle à l’aide du « module » de couplage nappe-rivière du logiciel MARTHE, soit environ 3 000 km de linéaire. La recharge des nappes est estimée par zone, au pas de temps mensuel, à travers un bilan classique fournissant la pluie efficace à partir des données de précipitations et de l’évapotranspiration sur 11 stations météorologiques et des données de réserves utiles des sols. L’Indice de Développement et de Persistance des Réseaux, développé par le BRGM, a ensuite été utilisé pour évaluer le fractionnement de cette pluie efficace entre ruissellement et infiltration. Au final, 99 zones de recharge/ruissellement ont été intégrées sur l’ensemble de l’extension du modèle. Le calage a été réalisé sur la période 2000 à 2007 à un pas de temps mensuel. Les chroniques piézométriques observées sont relativement bien reproduites par le modèle, en particulier pour le Jurassique supérieur, le Dogger et l’Infra-Toarcien. Les débits en rivières observés sont également biens restitués, en particulier en période d’étiage et malgré une dépréciation des pics de crue du fait du pas de temps mensuel.

Illustration 23 : Extension tridimensionnelle du modèle Jurassique

Bri

Crétacé + recouvrement

Jurassique sup. altéré

Jurassique sup. non altéré

Dogger

Toarcien

Infra-Toarcien

Socle

La Rochelle

Poitiers

Angoulême

Niort



4.2. HYDROGEOLOGIE DU BASSIN DE LA BOUTONNE

Le bassin de la Boutonne, affluent en rive droite de la Charente, est situé dans le département des Deux-Sèvres et de la Charente-Maritime (Illustration 24). Orienté Nord-est/Sud-ouest, il s’étend sur 1 350 km² avec une altitude qui peut varier de + 3 mNGF à + 193 mNGF. La Boutonne se jette dans la Charente à Cabariot en aval de Tonnay-sur-Boutonne.

Le modèle hydrodynamique du Jurassique englobe entièrement ce cours d’eau et son bassin versant. De nombreuses données quantitatives (piézomètres, stations de mesures de débits) et qualitatives (qualitomètres sur nappes et cours d’eau) sont disponibles sur ce bassin. La qualité des nappes libres (Jurassique supérieur et Dogger) du bassin est nettement impactée par les nitrates avec des teneurs, sur certains secteurs, de plus de 60 mg/l [Bichot et al. (2010)].

Ce bassin a été retenu car il recoupe les principaux aquifères du Jurassique : à l’amont, l’Infra-Toarcien et le Dogger (masse d’eau 5042) et à l’aval le Jurassique supérieur altéré (masse d’eau 5015) (Illustration 24).

Bien que la réactivité de la Boutonne aux pluies soit importante, les échanges nappe-rivière conditionnent le débit de la Boutonne en été :

- En aval, la nappe du Jurassique supérieur (contenue dans la partie superficielle altérée)

apporte un soutien au débit, mais du fait des prélèvements la rivière peut se retrouver

localement perchée à l’étiage (Annexe 1).

- Entre Dampierre et Brieul-sur-Chizé, un gain de débit de la rivière est constaté grâce

aux sources issues des calcaires du Kimméridgien et du Dogger.

- En amont, les nappes du Dogger et de l’Infra-Toarcien alimentent la rivière tout au long

de l’année, à travers de grosses sources ou des sorties d’eau directes dans le cours

d’eau.

Les aquifères du Dogger et de l’Infra-Toarcien ont un fonctionnement hydrogéologique complexe. D’une part, selon l’échelle à laquelle on se place, la nature fracturée et karstifiée de ces formations calcaires engendre un fort contraste de propriétés hydrodynamiques et de vitesses d’écoulement. D’autre part, la fracturation, intense sur le secteur amont de la Boutonne, génère des connexions hydrauliques entre les deux aquifères et des mélanges d’eau sont possibles entre les deux nappes. En comparaison, l’aquifère du jurassique supérieur, formation altérée sur 20 à 30 m, reposant sur une formation calcaréo-marneuse imperméable, peut être assimilé à un système monocouche avec un fonctionnement hydrogéologique assez « simple ». L’Illustration 25 présente une coupe géologique du secteur permettant de visualiser les nappes citées précédemment.



Légende :

Bassin versant de la Boutonne

Réseau hydrographique

Villes

Failles

Alluvions

Tertiaire et quaternaire

(hors alluvions)

Crétacé

Jurassique supérieur

Jurassique moyen

Jurassique inférieur

Socle

Illustration 24 : Zone d’étude



Illustration 25 : Coupe géologique du bassin-versant de la Boutonne dans le sens de la longueur [Bichot F. (2005)]

St Romains

les Melle

Hettangien sablo-argileux

Toarcien

Socle indifférencié

Trias

Sinémurien

Pliensbachien

Kimméridgien basal(Villedoux)

Bajocien

Callovien

Oxfordien inf. et moy.

Oxfordien supérieur

Kimméridgien basal calcaire

Kimméridgien basal(Esnandes) Bathonien

Faille

- 800

- 200

- 600

- 400

S O N ECoupe géologique à travers le bassin de la Boutonne

Bois des Essouverts

Dampierre

Chizé

Kimméridgien inf.marno-calcaire

Kimméridgien inf.calcaire

0 m NGF

Tithonien inférieur

Kimméridgien supérieur

Aptien-Albien

Cénomanien

Archingeay

DDDDDDDDD

ITITITITITITITITIT

JJJJJJJJJ

Infra-Toarcien

Dogger

Jurassiquemoy. et sup.

ITITITITITITITITIT

CCCCCCCCC Crétacé

Aquifères :

D (109A2)D (109A2)D (109A2)D (109A2)D (109A2)D (109A2)D (109A2)D (109A2)D (109A2)

ITITITITITITITITIT

DDDDDDDDD

ITITITITITITITITIT

DDDDDDDDD

CCCCCCCCCJ (113)J (113)J (113)J (113)J (113)J (113)J (113)J (113)J (113)

D (217)D (217)D (217)D (217)D (217)D (217)D (217)D (217)D (217)

IT (232)IT (232)IT (232)IT (232)IT (232)IT (232)IT (232)IT (232)IT (232)

ITITITITITITITITIT

DDDDDDDDD



4.3. DECOUPAGE DU MODELE

L’intégration du transfert de masse augmentant sensiblement les temps de calcul du logiciel de modélisation, il a été décidé de découper le modèle du Jurassique autour du bassin de la Boutonne (désactivation des mailles de calcul).

Afin de modérer les effets de limite, le découpage a été réalisé en dehors du bassin versant. Ainsi, l’extension spatiale du modèle découpé (Illustration 26) est délimitée notamment par :

la limite sud-ouest du modèle global,

la faille de Parthenay au nord-est.

La zone modélisée s’étend sur moins de 2 500 km².

Illustration 26 : Extension du modèle sur la Boutonne

4.4. ADAPTATION DU BILAN HYDROCLIMATIQUE SOUS GARDENIA

Dans le cadre de ce travail, la méthode consistant à calculer la recharge des nappes et le ruissellement à l’aide de l’Indice de Développement et de Persistance des Réseaux (IDPR) a été abandonnée au profit du calcul de bilans hydro-climatiques avec l’outil GARDENIA [Thiéry (2003)] intégré à MARTHE. Cette méthode, beaucoup plus souple, nécessite une fois les paramètres du module GARDENIA calés, d’intégrer seulement les données de pluies et ETP et donc de ne pas recalculer, pas de temps par pas de temps, une recharge et un ruissellement.

L’utilisation du module GARDENIA nécessite l’intégration dans le modèle :

- de différentes zones de données météorologiques (pluies et d’ETP) ;

- de zones de sol sur lesquelles sont définis la Réserve Disponible pour l’Evapotranspiration (RDE) pour les premiers mètres du sol (équivalent à la RU) et des

Légende :

Limite de découpage du modèle



Villes

Failles

Alluvions


(hors alluvions)

Crétacé


Jurassique moyen


Socle



paramètres qui permettent la répartition entre écoulement rapide (ruissellement) et écoulement lent (percolation vers la nappe) :

Temps de demi-PERColation (TPERC),

Niveau d’équilibre-RUIssellement-Percolation (NRUIP).

Le module GARDENIA se base sur le principe des modèles réservoirs (voir Illustration 27) :

- Un premier réservoir U (capacité de rétention du sol) modélise la partie supérieure du sol, sa hauteur maximale est fixée par la RDE. Il se vide ou se remplit suivant la pluie et l’ETP. L’alimentation du réservoir H sous-jacent est possible lorsque la capacité de rétention du sol est dépassée ;

- Le second réservoir H modélise la zone non saturée au-dessus du niveau de nappe. Il est alimenté par le réservoir U et est vidangé par percolation dans le réservoir souterrain (aquifère) suivant une loi exponentielle de constante de temps TPERC (ALIM aquifère = H.dt/TPERC) et par ruissellement suivant le paramètre NRUIP.

L’infiltration doit donc être « calée » en ajustant les trois paramètres RDE, TPERC et NRUIP.

Illustration 27 : Schéma de fonctionnement de la recharge

Les zones d’influence des stations météorologiques (pluie et ETP) sont identiques au modèle global. Elles sont obtenues à l’aide de la méthode de polygonation de Thiessen (Illustration 28).

Illustration 28 : Zones de pluies et d’ETP



Afin de ne pas perdre les différentes informations initiales issues de la méthode de l’IDPR pour le calcul de la recharge, les zones de sols ont été définies par analogie en croisant la carte d’IDPR avec celles des zones de RU retenues dans le précédent modèle (Référentiel Régional Pédologique). 28 zones de sols ont ainsi été créées (Illustration 29).

Illustration 29 : Détermination des zones de sol

Carte de la Réserve Utile du sol Carte de l’IDPR

Carte du croissement de l’IDPR et de la RU

(41 zones de sol)

Carte de zones de sol simplifiées

(6 zones de sol)

Zones météos



La superposition des chroniques piézométriques observées (localisation des piézomètres - Illustration 30) et des chroniques restituées par le modèle est présentée sur les illustrations 31 à 33 et pour les débits des cours d’eau sur l’Illustration 35 (localisation des stations de débits-Illustration 34). Le calcul de la recharge avec GARDENIA permet de conserver un calage optimal des chroniques piézométriques.

Par ailleurs, des cartes de différence de charges hydrauliques entre celles simulées par le modèle régional initial et celles simulées par le modèle découpé et adapté sous GARDENIA sont présentées, pour 2 pas de temps différents, sur les illustrations 36 et 37.

Enfin l’Illustration 38 présente des cartes de restitutions des piézométries pour mai 2006 pour la nappe du Dogger et pour celle du Jurassique supérieur.

Illustration 30 : Localisation des piézomètres utilisés pour le calage du modèle

Légende :




Villes

Failles

Alluvions


(hors alluvions)

Crétacé


Jurassique moyen


Socle

Piézomètre au Jurassique sup.

Piézomètre au Dogger

Piézomètre à l’Infra-Toarcien



Illustration 31 : Chroniques piézométriques du Jurassique supérieur altéré - données observées vs. données calculées

Illustration 32 : Chroniques piézométriques du Dogger - données observées vs. données calculées

14

16

18

20

22

24

26

28

j-00 j-01 j-02 j-03 j-04 j-05 j-06 j-07

H (

m N

GF

)

06591X0009/S - Reorte25

30

35

40

45

50

55

60

j-00 j-01 j-02 j-03 j-04 j-05 j-06 j-07

H (

m N

GF

)

06357X0062/S - Villenou

50

52

54

56

58

60

62

j-00 j-01 j-02 j-03 j-04 j-05 j-06 j-07

H (

m N

GF

)

06601X0012/S - Pomier66

68

70

72

74

76

78

j-00 j-01 j-02 j-03 j-04 j-05 j-06 j-07

H (

m N

GF

)

06366X0006/P - Ensigne

83

84

85

86

87

88

89

j-00 j-01 j-02 j-03 j-04 j-05 j-06 j-07

H (

m N

GF

)

06603X0093/P - Paisay

83

84

85

86

87

88

89

j-00 j-01 j-02 j-03 j-04 j-05 j-06 j-07

H (

m N

GF

)

06603X0093/P - Paisay

Observé mensuel

Modélisé mensuel

66

67

68

69

70

71

72

73

74

75

j-00 j-01 j-02 j-03 j-04 j-05 j-06 j-07

H (

m N

GF

)

06367X0172/F - Outres 1

110

115

120

125

130

135

j-00 j-01 j-02 j-03 j-04 j-05 j-06 j-07

H (

m N

GF

)

06364X0001/P-Chail

83

84

85

86

87

88

89

j-00 j-01 j-02 j-03 j-04 j-05 j-06 j-07

H (

m N

GF

)

06603X0093/P - Paisay

Observé mensuel

Modélisé mensuel

83

84

85

86

87

88

89

j-00 j-01 j-02 j-03 j-04 j-05 j-06 j-07

H (

m N

GF

)

06603X0093/P - Paisay

Observé mensuel

Modélisé mensuel



Illustration 33 : Chroniques piézométriques de l’Infra-Toarcien - données observées vs. Calculées

Illustration 34 : Localisation des stations hydrologiques utilisées pour le calage du modèle

50

55

60

65

70

75

80

j-00 j-01 j-02 j-03 j-04 j-05 j-06 j-07

H (

m N

GF

)

06367X0138/S - Outres 2

60

65

70

75

80

85

90

95

100

j-00 j-01 j-02 j-03 j-04 j-05 j-06 j-07

H (

m N

GF

)

06367X0195/S - Tillou

83

84

85

86

87

88

89

j-00 j-01 j-02 j-03 j-04 j-05 j-06 j-07

H (

m N

GF

)

06603X0093/P - Paisay

Observé mensuel

Modélisé mensuel

83

84

85

86

87

88

89

j-00 j-01 j-02 j-03 j-04 j-05 j-06 j-07

H (

m N

GF

)

06603X0093/P - Paisay

Observé mensuel

Modélisé mensuel

Légende :




Villes

Station hydrologique



Illustration 35 : Chroniques de débits - données observées vs. données calculées

0

5

10

15

20

25

30

35

j-00 j-01 j-02 j-03 j-04 j-05 j-06 j-07

Déb

it e

n m

3/s

La Boutonne à Saint Séverin

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

j-00 j-01 j-02 j-03 j-04 j-05 j-06 j-07

Déb

it e

n m

3/s

La Boutonne à Saint Jean d'Angely

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

j-00 j-01 j-02 j-03 j-04 j-05 j-06 j-07

Déb

it e

n m

3/s

La Boutonne à Carillon



a b

c

Illustration 36 : Cartes des différences de charges hydrauliques entre le modèle Jurassique global initial et le modèle découpé pour le pas de temps 55 – mars 2004 (a : altérites (1) et Jurassique supérieur

altéré (2), b : Dogger, c : Infra-Toarcien)

(1)

(2)



a b

c

Illustration 37 : Cartes des différences de charges hydrauliques entre le modèle Jurassique global et le modèle découpé pour le pas de temps 101 – décembre 2007 (a : altérites (1) et Jurassique supérieur

altéré (2), b : Dogger, c : Infra-Toarcien)

(1)

(2)



a

Sens d’écoulement

Limite du modèle

Courbes piézométriques (mNGF) :

b

Illustration 38 : Cartes piézométriques du Jurassique supérieur altéré (a) et du Dogger (b) restituées par le modèle au pas de temps 81 (mai 2006)



4.5. TRANSPORT DES NITRATES DANS LE MODELE DE LA BOUTONNE

4.5.1. Données d’intrants – SWAT de l’IRTSEA

Deux jeux de données, se localisant exclusivement sur le bassin de la Boutonne ont été fournis par IRSTEA. Ces données sont issues d’un modèle non calé (pas de restitution correcte des chroniques de nitrates au niveau des stations de mesures hydrologique notamment pour le moment) mais qui sont utilisées ici pour tester la méthode de couplage avec MARTHE et pour apporter des améliorations à cette méthode le cas échéant.

Le premier jeu, daté du 07/11/2012, correspond à un scenario agricole où la fertilisation azotée se présente sous forme d’azote élémentaire. La quantité d’intrants nitrates en entrée de nappe ne dépasse pas 15 kg/ha (Illustration 39). Ce chiffre est très faible, en effet si on fait un rapide calcul en considérant une dilution des nitrates dans une recharge de 150 mm/an, on obtient une teneur en nitrates atteignant la nappe de l’ordre de 10 mg/l. Avec ce jeu il n’est donc pas réaliste de chercher à retrouver les concentrations en nitrates observées dans la nappe du jurassique supérieur (40 à 60 mg/l en moyenne).

Dans le second jeu, reçu le 19/11/2012, la fertilisation azotée se présente sous la forme d’un engrais minéral type ammonitrate. La masse de nitrates entrant dans la nappe est ici comprise entre 20 et 40 kg/ha sur une grande partie du bassin de la Boutonne et peut atteindre plus de 90 kg/ha. Ce second jeu semble mieux correspondre à la réalité de terrain. Si on fait le même calcul que précédemment, on peut atteindre des concentrations de plus de 60 mg/l de NO3 pour 90 kg/ha dans les eaux d’infiltration. Les cartes suivantes présentent la distribution des intrants en entrée de nappe pour l’année 2000.

Illustration 39 : Distribution spatiale des intrants pour les 2 jeux de données (moyenne annuelle pour l’année 2000) issus de SWAT

Des cartes des sommes annuelles d’intrants (nitrates) sur la période 2000-2006 ont été construites et sont rassemblées en annexe 2 et 3 respectivement pour les jeux de données 1 et 2.

Les données ont par la suite été traitées pour être intégrées à la simulation MARTHE : croisement des HRU et de la grille du modèle hydrodynamique (Illustration 40) et construction des chroniques de nitrates par mois et par maille.

A noter que la période simulée sur SWAT est 1990-2006. La période commune de simulation entre les 2 modèles correspond donc à 2000-2006. Des valeurs moyennes d’intrants sont intégrées au modèle (MARTHE) pour 2007.

Jeu de données n° 1 Jeu de données n° 2



Illustration 40 : Croisement de la grille du modèle MARTHE et des HRU issus de SWAT

4.5.2. Préparations pour le calcul du transport

Afin de simuler le transport des nitrates dans les nappes avec le logiciel MARTHE, les variables descriptives du transport de soluté doivent être précisées en complément des paramètres hydrodynamiques :

- la porosité (coefficient d’emmagasinement pour les nappes libres – de 1 à 5% dans le

cas de la Boutonne),

- les concentrations initiales en nitrates,

- les chroniques d’intrants de nitrates dans les nappes.

Pour ce premier test, le processus de transport classiquement décrit par un terme de convection, de dispersion et de sorption/desorption, est ici réduit au terme de convection.

L’extension du modèle SWAT utilisée par IRSTEA étant restreinte au bassin versant de la Boutonne, les intrants de nitrates ne peuvent être renseignés sur les mailles à l’extérieur du bassin. D’autre part, la zone de modélisation du transport est volontairement bornée au Jurassique supérieur. Ce choix permet de s’affranchir, dans un premier temps, de la complexité du comportement hydrogéologique (et donc du transport) des aquifères du Dogger et de l’Infra-Toarcien. A terme, il pourra être envisagé d’inclure le domaine de ces aquifères dans la modélisation (Nord Boutonne).

Grille du modèle Carte des HRU

Croisement des

mailles et des HRU



Les concentrations initiales moyennes, fonction des teneurs moyennes relevés dans les qualitomètres ont été imposées en limite de la zone d’intérêt (Illustration 41) :

dans la couche du Dogger, au niveau de la faille d’Aiffres,

et dans la couche du Jurassique supérieur altéré aux mailles situées entre l’extension

du modèle de l’IRSTEA et celle du modèle Jurassique découpé.

Illustration 41 : Limites de calcul du transport avec les concentrations extérieures (légende de la géologie : voirIllustration 24)

Le calage des paramètres du transport a été réalisé à l’aide des chroniques de concentrations de nitrates des qualitomètres situés dans le bassin de la Boutonne (Illustration 42).

Illustration 42 : Localisation des qualitomètres avec chroniques de nitrates

Légende :




Villes

Failles

Alluvions


(hors alluvions)

Crétacé


Jurassique moyen


Socle

Piézomètre au Jurassique sup.

Piézomètre au Dogger



4.5.3. Tests de modélisation du transport des nitrates

Afin de réaliser ces tests, une concentration initiale de 30 à 50 mg/l a été introduite dans le modèle. Pour chaque jeu de données, le modèle a tourné 2 fois de suite avec les données d’IRSTEA pour stabiliser le modèle avec les intrants proposés. Les résultats sont analysés sur la seconde simulation. Pour chaque jeu de données, la sensibilité de la réaction du modèle à la variation de porosité a été analysée. Ces tests de sensibilité ont été conduits en multipliant puis en divisant la porosité par deux.

Pour le jeu de données n° 1, les résultats des simulations montrent des concentrations très en dessous des valeurs observées (inférieures à 10 mg/l) (Illustration 43), ce qui est logique par rapport aux quantités d’intrants intégrées au modèle. La masse de nitrates issue de la zone non saturée ne permet donc pas de renouveler le stock sortant de la maille et/ou de palier la dilution suite à une augmentation du volume d’eau dans la maille et ce même en faisant varier les paramètres intrinsèques de l’aquifère (la porosité notamment).

Pour le jeu n° 2, les concentrations se situent dans un ordre de grandeur plus réaliste par rapport aux valeurs observées (Illustration 44) avec des valeurs de 20 à 60 mg/l et des fortes variations au cours du temps. Néanmoins, dans le cadre de ce travail il apparait nécessaire d’améliorer la connaissance des formes d’intrants appliqués sur les sols et des quantités d’azote qui parviennent à la nappe. Le calage de SWAT sur des chroniques observées fait donc partie des étapes futures et essentielles pour réaliser un couplage opérationnel SWAT/MARTHE.

Des cartes de concentrations en hautes eaux et en basses eaux sont présentées pour l’année 2006, considérée comme une année moyenne en termes de climat (Illustration 45). Pour les simulations sur le second jeu de données fournies par IRSTEA, les teneurs sont plus importantes en basses eaux pour une partie des mailles qu’en hautes eaux. Les études réalisées sur la Boutonne ont montré un comportement inverse [Bichot et al. (2010)]. Dans le modèle, les intrants sont directement injectés dans les mailles « nappes ». En période d’étiage et en absence de recharge, la quantité de nitrates est donc diluée dans le volume d’eau restant de la nappe (pas de dilution liée à un volume d’eau infiltrée) ce qui peut engendrer ponctuellement des sur-concentrations de teneurs en nitrates. Le problème est ici lié à SWAT qui calcul des flux de nitrates vers la nappe en période d’étiage alors qu’ils devraient être nuls.



Illustration 43 : Chroniques de concentrations en nitrates pour les points de calage et sensibilité à la porosité – jeu de données 1

0

10

20

30

40

50

60

j-00 j-01 j-02 j-03 j-04 j-05 j-06 j-07

Co

nc

en

tra

tio

n -

mg

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e N

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Illustration 44 : Chroniques de concentrations en nitrates pour les points de calage et sensibilité à la porosité – jeu de données 2

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Jeu de données 1 Jeu de données 2

Avril

2006 (HE)

Octobre 2006 (BE)

Illustration 45 : Cartes des concentrations de nitrates en hautes eaux et basses eaux pour les 2 jeux de données



5. Conclusion

L’objectif de ce travail a consisté à étudier la possibilité de l’utilisation des modèles hydrodynamiques développés en Poitou-Charentes [Douez et Bichot (2011), Douez et Bichot (2012)] pour simuler les transferts de nitrates dans les eaux souterraines.

Ceci a conduit dans un premier temps à faire une synthèse sur les principaux outils permettant de modéliser les cycles de l’azote en « surface » (en particulier dans la zone non saturée) qui pourraient être utilisés en amont du logiciel de modélisation hydrogéologique MARTHE : AGRIFLUX, BICHE, STICS et SWAT.

Parallèlement à ce travail, s’est amorcée une collaboration avec IRSTEA qui travaille sur les pratiques culturales ainsi que sur le transfert des nitrates à l’aide du logiciel SWAT, depuis plusieurs années sur le bassin Charente. Le choix a donc été pris d’analyser la possibilité de coupler SWAT à MARTHE et de bénéficier ainsi de l’expertise agronomique de IRSTEA. Par ailleurs, cet institut travaille également sur la définition de scénarios agricoles futurs qui pourraient être testés avec un modèle fiable.

Un important travail d’analyse et de traitements des sorties de SWAT a été réalisé afin de pouvoir les intégrer en entrée du code de calcul MARTHE ; des procédures ont été mises au point.

Des tests sur une partie du modèle Jurassique ont été réalisés. Le but ici n’étant pas de modéliser les transferts de nitrates sur l’ensemble du bassin de la Charente (ce qui peut s’avérer très compliqué du fait de la complexité des modèles : étendu du modèle, nombre de couches, prise en compte des relations nappes/rivières… et des temps de de calcul), il a été décidé de ne travailler que sur le bassin de la Boutonne pour tester la méthode. Le modèle Jurassique a donc été découpé au niveau de ce bassin versant. Par ailleurs, le bilan hydroclimatique, réalisé initialement à partir de l’IDPR, a été adapté en utilisant le modèle GARDENIA couplé à MARTHE.

Deux jeux de données ont été fournis par IRSTEA. Il est à noter que dans le cadre de cet exercice, SWAT n’a pas été calé sur les chroniques de nitrates observées. Avec le premier jeu de données, le modèle ne parvient pas à restituer des teneurs convenables par rapport à celles observées du fait des faibles quantités d’intrants fournis par le modèle SWAT de l’IRSTEA. Le second jeu de données correspond plus à des données réelles et permet de s’approcher des chroniques observées. Toutefois, la modélisation du bassin de la Boutonne n’a pas pu être finalisée dans MARTHE, le calage de SWAT restant à terminer (précisions à apporter sur les formes d’azote et les pratiques culturales, sur la restitution des chroniques de débit et de qualité en rivière etc.). Le calage de SWAT sur les chroniques existantes (débits et concentrations) est donc un préalable essentiel. De même, les bilans de flux issus des deux modèles doivent être comparés et rapprochés

Ce travail de faisabilité d’une modélisation couplant SWAT et MARTHE apparait comme très prometteur. Il permet d’associer les compétences d’IRSTEA dans le domaine des pratiques agricoles et celles du BRGM dans le domaine de l’hydrogéologie. Ce travail devrait donc se poursuivre en développant les échanges entre les deux structures en collaboration avec l’Agence de l’Eau Adour-Garonne et l’EPTB Charente.



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BRGM/RP-61823-FR - Rapport final

Annexe 1

Relations nappe-riviere pour le bassin de la Boutonne à l’etiage (Bichot F. (2005)]



Annexe 2

Cartes des sommes annuelles d’intrants du jeu de données n° 1



Année 2000

Année 2001

Année 2002

Année 2003

Année 2004

Année 2005

Année 2006



Annexe 3

Cartes des sommes annuelles d’intrants du jeu de données n° 2



Année 2000

Année 2001

Année 2002

Année 2003

Année 2004

Année 2005

Année 2006

Centre scientifique et technique

3, avenue Claude-Guillemin BP 36009

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faisabilité d’une modélisation du transfert azoté du sol

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